Основные процессы, протекающие при производстве хлеба

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Основы биотехнологии хлебопечении и мучных кондитерских изделий – одна из важнейших профессиональных дисциплин. Основы биотехнологии хлебопечения и кондитерских изделий изучает биохимические и микробиологические процессы в технологии хлебопечения и кондитерских изделий, технологии производства заквасок для хлеба из пшеничной и ржаной муки.

 

Краткий курс лекций по дисциплине «Основы биотехнологии хлебопечения и мучных кондитерских изделий» предназначен для студентов по направлению подготовки 19.03.02 Продукты питания из растительного сырья. Курс направлен на формирование ключевых компетенций, необходимых для эффективного решения профессиональных задач и организации профессиональной деятельности на основе знаний, которые помогут правильно сориентироваться и начать научную работу

 

 

3

 

Лекция 1

 

ВВОДНАЯ

 

Введение в дисциплину

 

Биотехнология — это использование организмов, биологических систем или биологических процессов в промышленном производстве. К отраслям биотехнологии относятся генная, хромосомная и клеточная инженерия, клонирование сельскохозяйственных растений и животных, использование микроорганизмов в хлебопечении, виноделии, производстве лекарств и др.

 

Производство хлеба включает сложный цикл микробиологических и биохимических процессов, происходящих в тесте с момента смешивания муки с водой и заканчивающихся выпечкой. В сортах муки, используемой для выпечки пшеничного и ржаного хлеба, входят компоненты, необходимые для развития многих микроорганизмов. Кроме крахмала в муке содержится до 0,7-1,8 % (в пересчете на сухое вещество) сбраживаемых сахаров - глюкозы, фруктозы, мальтозы, сахарозы, раффинозы, существенно влияющих на первые стадии брожения теста. Образующиеся при гидролизе крахмала амилолитическими ферментами муки углеводы (мальтоза и др.) - основные субстраты, обеспечивающие процесс брожения и хорошее газообразование при изготовлении теста. Азотсодержащие вещества муки состоят главным образом из белков. В незначительном количестве содержатся и небелковые азотистые вещества - свободные аминокислоты и амиды. Кроме того, протеиназы муки обогащают тесто водорастворимыми азотсодержащими соединениями. В состав муки входит до 2 % минеральных веществ, в том числе микроэлементы.

 

Мука всегда содержит значительное количество различных микроорганизмов. Вносятся они и с добавками к тесту. Важнейшую роль в брожении теста играют дрожжи и молочнокислые бактерии, для которых имеются все необходимые условия: влажность 40-50 %, незначительное содержание молекулярного кислорода и наличие питательных веществ. Микробиологические процессы и связанные с ними биохимические изменения в тесте определяют пористость, окраску, прочность среза и сохранение свежести хлеба, придают ему вкус и аромат.

 

Основные процессы, протекающие при производстве хлеба

 

Хлеб —это пищевой продукт, получаемый выпечкой разрыхленного дрожжами и/или молочнокислыми бактериями теста, которое готовится различными способами из ржаной, пшеничной муки или их смеси, c добавлением хлебопекарных дрожжей, соли, воды и дополнительных видов сырья, предусмотренных ре - цептурой изделия.

 

Производство хлеба включает несколько стадий технологического процесса: подготовку сырья, его дозировку, замес полуфабрикатов, их брожение, разделку, и том числе окончательную расстойку и отделку, выпечку хлеба, его укладку, хранение

 

и транспортировку в торговую сеть для реализации. Технология приготовления хлеба может включать специальные стадии, такие как различные методы подготовки отдельных видов сырья; приготовление полуфабрикатов c определенными свойствами — заварок; различных видов закваски; бездрожжевого набухающего полуфабриката; высокоосахаренных ферментативных полуфабрикатов; заквасок c направленным культивиpовaнием микроорганизмов; активацию дрожжей; выpащивание жидких

 

4

 

дрожжей; ошпаpку тестовых заготовок, о6жарку хлеба; сушку; замораживание и дефростацию тестовых заготовок и другие. На каждой стадии производства хлеба происходит комплекс сложных процессов —физико-химических, коллоидных, биохимических и микробиологических, которые взаимосвязаны c химическим составом, функциональными и технологическими свойствами хлебопекарного сырья, жизнедеятельностью микрофлоры полуфабрикатов, активностью биологических катализаторов – ферментов, параметрами и условиями технологического процесса.

 

Конечная цель хлебопекарного производства –это приготовление высококачественной продукции, обладающей хорошими потребительскими свойствами, физико-химическими показателями, сбaлансированным составом по пищевой ценности, хорошей усвояемостью и соответствующей медико-биолoгическим требованиям. Достижение этой цели основывается на управлении оптимальными параметрами при проведении каждой стадии; регулировании сложным комплексом процессов, происходящих со структурными компонентами сырья и полуфабрикатов; обеспечении жизнедеятельности микрофлоры полуфабрикатов и теста.

 

В основе технологии приготовления хлеба лежат процессы жизнедеятельности микрофлоры муки и полуфабрикатов: хлебопекарных дрожжей, молочнокислых бактерий, a также других видов микроорганизмов, обеспечивающих разрыхление теста за счет выделения диоксида углерода, насыщение жидкой фазы теста растворенной угольной кислотой, повышение общей и активной кислотности полуфабрикатов, накопление в тесте специфических веществ, формирующих вкус и аромат готового хлеба.

 

Важнейшей составляющей технологии хлебопекарного производства является комплекс биохимических процессов, включающих взаимодействие ферментов муки и других видов сырья со структурными компонентами теста и обусловливающих их модификацию, что определяет ход технологического процесса, свойства полуфабрикатов и качество готовой продукции. Микробиологические и биохимические процессы технологии хлеба взаимосвязаны между собой и составляют биотехнологические основы хлебопекарного производства. Комплекс биохимических и микробиологических процессов протекает на всех стадиях приготовления в зависимости от назначения и выбора конкретной стадии или приема, параметров и условий, достигаемого технологического эффекта они различаются по направленности процессов

и степени их интенсивности.

 

Спиртовое брожение

 

B зависимости от способов тестоприготовления в хлебопекарных полуфабрикатах происходит преимущественно спиртовое брожение, вызываемое чистыми культурами хлебопекарных дрожжей, либо спиртовое брожение сочетается c молочнокислым брожением. Наряду c дрожжами и молочнокислыми бактериями в полуфабрикатах проявляет жизнедеятельность целый ряд микроорганизмов, попавших c мукой, дополнительным сырьем или за счет направленного культивирования определенных их видов. Из Семейства сахаромицетов в хлебопекарном производстве применяется вид Saccharomyces cerevisiae, отдельные штаммы которого значительно различаются посоставу ферментов и отношению к условиям внешней среды. Из бродящих ржаных за-квасок выделен вид дрожжей Saccharomyces minor, который также используется в технологии приготовления хлеба. B зависимости от условий дрожжевые клетки сахаромицетов получают необходимую для жизнедеятельности энергию за счет сбраживания углеводов при анаэробных условиях или за счет их окисления при аэробных условиях.

 

5

 

Для полуфабрикатов хлебопекарного производства характерен анаэробный тип обмена веществ – спиртовое брожение. Процесс спиртового брожения – с6раживание дрожжевыми клетками углеводов в отсутствии кислорода c образованием конечных продуктов – этанола и диоксида углерода осуществляется через ряд промежуточных продуктов c участием многочисленных ферментов, называемых зимазным комплексом. Гексозы расщепляются до центрального промежуточного продукта пировиноградной ки-слоты, которая является исходным субстратом для образования диоксида углерода и этaнола. Превращение сахара в пировиноградную кислоту включает окислительную стадию. Водород, отнимаемый от промежуточных продуктов расщепления сахара и связанный на специфических коферментах НАД⁺ и НАД⁺ Фn (неорганический фосфат), используется для восстановления пировиноградной кислоты или продуктов ее расщепления с образованием конечных продуктов брожения. Энергия, получаемая в результате процесса брожения и используемая клеткой, запасается в форме аденозинтрифосфата (АТФ), часть которой идет на фосфорилирование гексоз, сопровождаемое превращением АТФ в аденозиндифосфат (АДФ).

 

Фактический баланс спиртового брожения при активной кислотности среды дрожжевого теста (рн 6,0) близок к теоретическому, однако и в этом случае кроме этанола и диоксида углерода в бродящих полуфабрикатах образуется ряд продуктов: глицерин, масляная, уксусная, молочная, яблочная кислоты и др. C увеличением концентрации водородных ионов количество побочных продуктов процесса спиртового брожения возрастает. Количество диоксида углерода, выделяющегося и тесте при сбраживании сахаров, составляет около 70% от теоретически возможного по суммарной формуле, поскольку часть сбраживаемого сахара затрачивается на энергетические и пластические процессы, происходящие в дрожжевой клетке пpи жизнедеятельности.

 

Процессы обмена веществ в дрожжевой клетке протекают c участием ферментов, которые подразделяются на экзо- и эндоферменты в зависимости от локализации в дрожжевой клетке, и конститутивные и адаптивные (индуцируемые) и зависимости от их синтеза. Экзоферменты выделяются клеткой во внешнюю среду для действия на субстрат, эндоферменты действуют внутри клетки. У конститутивных ферментов субстратом для их индукции служат метаболиты, образующиеся в клетке при ее жизнедеятельности вне зависимости от наличия их в питательной среде, y адаптивных индуктором является субстрат, содержащийся в питательной смeси. B состав ферментных систем дрожжевой клетки входят Р-фруктофуранозидаза, a-глюкозидаза, глюкокиназа, мальтопермеаза, карбоксилаза, фруктоизомераза и другие.

 

Зимазный комплекс ферментов дрожжей обеспечивает превращение моносахаров в этанол и диоксид углерода. Глюкоза сбраживается непосредственно, фруктоза – после изомеризации ее в глюкозу фруктоизомеразой дрожжей. Сахароза предварительно гидролизуется в глнокозу и фруктозу конститутивной Р-фруктофуранозидазой, легко выделяющимcя во внешнюю среду, так как этот фермент относится к экзоферментам и расположен с внешней стороны мембраны дрожжевой клетки.

 

Мальтоза с6раживается в мучных полуфабрикатах после глюкозы, фруктозы и сахарозы. При наличии мальтозы в среде брожения клетка секретирует фермент мальтопермеазу, который осуществляет транспорт мальтозы внутрь клетки, и фермент а-глюкозидазу (мальтазу), расщепляющий мальтозу на две молекулы глюкозы, которые непосредственно сбpaживаются дрожжами при участии их зимазного комплекса ферментов. Ферменты, участвующие в сбраживании мaльтозы (мальтопермеаза, a-глюкoзидаза), формируются только при наличии мальтозы в среде и после того как

 

6

 

дрожжевые клетки войдут в контакт с этим дисахаридом, поскольку являются адаптивными.

 

Разная продолжительность индуцирования ферментов дрожжевой клеткой приводит

 

к тому, что сахара теста сбpаживаются прессованными дрожжами не одновременно и непропорционально их содержанию в субстрате, a скорость ее газообразования на-растает до максимума c перепадами.

 

Адаптация дрожжей со сбраживания глюкозы, фруктозы и сахарозы на сбрaживание мaльтозы требует определенной продолжительности и связана c процессом адаптации дрожжевых клеток к мальтозной среде, который включает секрецию a-глюкозидазы и транспорт мальтозы мальтопермеaзой внутрь клетки, поскольку a-глюкозидаза локализуется в цитоплазме дрожжей. Закономерности сбраживания сахаров дрожжевой клеткой отражает динамика скорости газообразования дрожжей в полуфабрикатах, на основе анализа которой можно регулировать продолжительность их созревания для достижения наилучшего качества хлеба.

 

На достаточно интенсивный процесс брожения теста на всех его стадиях расходуется не менее 3,0-3,5% сбраживаемых сахаров. B случае приготовления теста c добавлением сахара-песка или других видов сахаросодержащих продуктов, предусмотренных рецептурой теста, динамика газообразования имеет несколько иные закономерности. При наличии сахарозы (сахара-песка) более 4% мальтоза практически не сбраживается дрожжами. Оптимальный ход технологического процесса обеспечивается постоянно возрастающей интенсивностью брожения, максимум ко-торой должен быть достигнут на последней стадии его брожения –в процессе расстойки тестовых заготовок.

 

Высушенные дрожжевые клетки обнаруживают еще одну форму брожения, при которой глюкоза превращается в пировиноградную кислоту и глицерин. Некоторым расам осмофильных дрожжей свойственен тип сбраживания углеводов – полиспиртовый, в результате которого кроме этанола образуется d-арабит, эритрит, маннит и глицерин.

 

На скорость спиртового процесса влияют следующие факторы: температура теста, активная кислотность среды, наличие и состав минеральных солей, биостимуляторов, витаминов, органических соединений азота (аминокислот и амидов), основного продукта спиртового бpожения – этанола. Существенное значение для характера протекания спиртового брожения имеют физиологические, биотехнологические и физика-химические свойства дрожжей, связанные c теpмотолерантностью,

 

осмочувствительностью, кислотоустойчивостью, сахароустойчивостью, криотолерантностью и др.

 

Знание основных закономерностей спиртового брожения дрожжей в мучных полуфабрикатах является основой для регулирования процесса их созревания, выявлении критерия оптимизации отдельных стадий технологического процесса для обеспечения стабильного качества готовой продукции.

 

При доступе кислорода спиртовое брожение вытесняется прямым окислением углеводов до диоксида углерода c выделением большого количества энергии:

С₆ Н₁₂ 0₆+30₂⁼ 6Н₂0+6С0₂+2830,8 кДж

В аэробных условиях образование этанола не происходит. В присутствии кислорода декарбоксилирование пирувата приводит к образованию ацетил Ко-А в цикле трикарбоновых кислот, контролирующим механизмом которых являются изоцитрат-дегидрогеназы, различающиеся по коэнзимной специфичности, внутриклеточной локализации, физико-химическим и кинетическим свойствам.

 

7

 

Как правило, прессованные хлебопекарные дрожжи, наряду с основной культурой Saccharomyces cerevisiae, содержат некоторое количество других видов дрожжевыхгрибов. Наиболее часто встречаются представители семейства несахаромицетов — родов Саndida sp. И Torulopsis. Оказывая в целом отрицательное влияние на технологические свойства пpессованных дрожжей, эти виды дрожжей, развиваясь в полуфабрикатах, могут внести определенные изменения в биохимические процессы, происходящие в бродящей среде, поскольку они характеризуются иными свойствами: способностью использовать арабинозу и ксилoзу, потреблением лимонной кислоты (дрожжи рода Torтtlopsis), индифферентным отношением к мальтозе и сахарозе (дрожжи рода Candida sp.).