CC BY
47
УДК 664.681
Директор A.M. Аксенова, зам. директора по научной работе Т. В. Савенкова, ученый секретарь И.М. Святославова
(ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский ии-т кондитерской промышленности») тел. 8-495-963-65-00 E-mail [email protected])
Director L.M. Aksenova, Deputy director for Science T.V. Savenkova, Scientific Secretary I.M. Svyatoslavova
(All-Russian Research Institute of Confectionery Industry) tel. 8-495-963-65-00 E-mail [email protected]
Биохимические аспекты формирования упруго-пластично-вязких кондитерских систем
Biochemical aspects of formation of elasto-plastic-viscous confectionery systems
Реферат. Свойства пищевых систем в процессе их переработки, представляющие собой совокупность физических, физико-химических и химических характеристик в условиях конкурентных технологических операций являются определяющими при выборе общих фундаментальных закономерностей получения конкурентоспособных кондитерских изделий. Наглядно показано, что при образовании сложной упру-говязкопластичной структуры идут различные процессы: физико-химические, коллоидные и биохимические. Учитывая, что процесс образования упруго-пластично-вязкой системы является основным процессом при получении затяжного печенья, необходимо четкое понимание механизмов всех этих процессов. Проведенные исследования показали, что для максимального протекания сложных процессов и проявления всех закономерностей необходима целая система подготовки технологий к проведению биотехнологических процессов в полном объеме. Показано, что без описания структурно-механических свойств пищевых дисперсных масс невозможно не только изучить закономерности их образования, но, что существенно важно, нельзя обосновать оптимальные параметры технологии переработки пищевых масс. Использование такого комплексного подхода к пониманию формирования дисперсной системы с определенными структурно-механическими свойствами позволило управлять биохимическим процессом получения упруго-пластично-вязкого теста путем изменения количества рецептурных компонентов.
Summary. The properties of food systems during their processing, which are a combination of physical, chemical and physico-chemical characteristics in terms of competitive manufacturing operations are decisive in choosing the overall fundamental regularities obtaining competitive confectionery. The article clearly shows that the formation of the complex elasto-plastic-viscous structures are different processes: physical-chemical, biochemical and colloidal. Given that the process of elastic-plastic-viscous systems is a key process in the preparation of long cookies, you need a clear
© Аксенова A.M., Савенкова Т.В., Святославова И.М., 2015
understanding of the mechanisms of these processes. Studies have shown that the maximum flow of complex processes and displays all the laws required an entire system of training techniques to the biotechnological processes in full. It is shown that without a description of the structural and mechanical properties of food disperse the masses is impossible not only to study the patterns of their education, but that it is essential, cannot justify the optimal parameters of processing technology of food masses. Using this integrated approach to understanding the formation of a dispersed system with specific structural and mechanical properties helped manage the biochemical process of obtaining an elastic-plastic-viscous test by changing the number of prescription components.
Ключевые слова: упруго-пластично-вязкая система, дисперсные системы, структурно-механические свойства, дисперсная фаза, белки муки, коллоидные процессы, биохимические процессы.
Keywords: elasto-plastic-viscous system, disperse systems, structural-mechanical properties, dispersed phase, colloidal processes, flour proteins, biochemical processes.
Проблема интенсификации и оптимизации технологических процессов - одна из наиболее актуальных проблем современной техники и основы технического прогресса во всех отраслях промышленности, включая пищевую.
Усовершенствование и интенсификация технологии пищевого производства невозможны без установления основных закономерностей процессов, протекающих в пищевых массах, с целью управления ими.
При получении кондитерских изделий идут не только процессы образования и разрушения структур, но также сложные биохимические, коллоидно-химические процессы, которые протекают в дисперсных системах с момента возникновения контакта между жидкой и твердой фазой [2].
При этом основные массообменные процессы, такие, как изменение агрегатного состояния, фазовые превращения, коллоидные и биохимические процессы и ряд других, протекают в большом объеме, одновременно как бы накладываясь и «хаотически» влияя друг на друга.
В связи с этим понимание сложных процессов и превращений, которые претерпевает пищевая система в ходе технологического потока с учетом ее состава и свойств, функциональных особенностей рецептурных компонентов, эффекта синергизма, особенностей технологии их внесения, является ключом к формированию качества кондитерских изделий в процессе их производства и прогнозирования стабильности в процессе длительного хранения изделий.
Проведенные исследования показали, что для максимального протекания сложных процессов и проявления всех закономерностей необходима целая система подготовки технологий к проведению биотехнологических процессов в полном объ-
Процесс тестообразования имеет основное значение, так как он предшествует целому ряду последующих операций (формование, выпечка, отделка и т.п.), специфических при получении готовых изделий.
В отличие от классических биотехнологий на примере хлебопекарного теста, которое образуется под воздействием вносимых дрожжей, кондитерское тесто в основном получается за счет собственных ферментов и вносимых извне.
Структура готовых изделий формируется, главным образом, на стадии образования теста. Главное в процессе тестообразования - формирование требуемой структуры теста и получение системы с заданными свойствами.
По характеру структурно-механических свойств системы можно разделить на три основные:
- упруго-пластично-вязкие (тесто для затяжного печенья),
- пластично-вязкие (тесто для сахарного печенья),
- слабоструктурированные (вафельное тесто).
Упруго-пластично-вязкие системы являются наиболее сложным в реологическом отношении телом [4].
Реологические свойства системы связаны с особенностями строения, теплового движения и молекулярного взаимодействия структурных элементов.
Без описания структурно-механических свойств пищевых дисперсных масс невозможно не только изучить закономерности их образования, но, что существенно важно, нельзя обосновать оптимальные параметры технологии переработки пищевых масс.
Важнейшим условием получения мучных кондитерских изделий с заданными структурно-механическими свойствами является управление свойствами пищевых дисперсных систем на всех стадиях процесса структурообразования.
Структурно-механические свойства всех кондитерских систем, и рассматриваемой нами упруго-пластично-вязкой системы в частности, определяются в основном характером связей между фазами, а также химической природой поверхности фаз.
Поэтому понимание процесса механизма формирования структуры с точки зрения формирования дисперсной системы позволяет определить пути получения изделий с заранее заданными структурно-механическими свойствами.
Дисперсность твердой фазы - один из основных критериев, определяющих условия проведения процессов структурообразования, а увеличение дисперсности -один из основных путей их интенсификации [4].
Такой подход позволяет сформулировать физически обоснованные критерии разделения дисперсных систем по их поведению в условиях массообменных технологических процессов на грубодисперсные и высоко дисперсные (микрогетерогенные) (таблица).
Таблица
Классификация пищевых дисперсных систем
Разбавленные коллоидно-дисперсные системы Высококонцентрированные дисперсные системы Грубодисперсные системы
10"бм—>10_9м 1 МКМ—>10"3МКМ 10"бм—>10-4 м 1 мкм—»100 мкм о >10-4 м более 100 мкм
Сахарный раствор Сахарная пудра Сахарный песок
Биотехнология Н ан отехн ология Физико-химическая механика Классическая механика
Установлено, что решающую роль при формировании структурно-механических свойств дисперсных систем играют контактные взаимодействия между частицами твердой фазы. В дисперсных системах возникают в основном структуры трех типов в зависимости от вида контактов между частицами твердых фаз (рис. 1).
I тип
Коагуляционные с точечными контактами
Классификация кондитерских изделия по типу структур
II тип Коагуляционно-конденсационные с фазовыми контактами
III тип Конденсационно-кристаллизационны е
азтгао-ог
Tsît
il"4-
Kaps vent
44 4Сомф=ты Поуадна
Я -
Зафкрнз
Рис. 1. Классификация кондитерских изделий по типу структур
Таким образом, своеобразные структурно-механические свойства (упругость, пластичность и вязкость) дисперсной системы зависят от вида контактов между частицами твердых фаз, которые, в свою очередь, определяются молекулярными взаимодействиями в этих системах.
Получение различных типов структур с резко различающимися структурно-механическими свойствами обеспечивается количественным набором сырья (в первую очередь, сахара и влаги) и температурными параметрами процесса, которые, как следствие, обусловливают степень набухания белков и крахмалов муки в процессе тестообразования при активном участии влаги [3].
Установлено, что ведущая роль в образовании теста с присущими ему свойствами упругости, пластичности и вязкости принадлежит белковым веществам муки.
Белки муки, которые идентифицируются как глютенин и глиадин, относятся к высокомолекулярным соединениям. Процесс растворения высокомолекулярных соединений сопровождается явлением набухания. Это самопроизвольный процесс поглощения высокомолекулярным соединением низкомолекулярной жидкости - растворителя (в нашем случае вода), приводящий к значительному увеличению массы и объема взятого образца [1].
Механизм набухания высокомолекулярного соединения объясняется видами влаги по форме связи с поверхностью твердой фазы (рис. 2).
З.'ДЬ СВЯЗХ
er-srv
Mexa-y-iecxa*
Хууичессэл
пая
Осмсткиессзя
и у сросзпулляры
uirpo сапу/тары
Рис. 2. Виды связи влаги
Механически связанная влага удерживается за счет сложной внутренней структуры коллоидных систем в результате простого капиллярного всасывания. Этот процесс осуществляется под влиянием поверхностного натяжения и кривизны пор, при этом удерживается до 40 % влаги. То есть на первом этапе тестообразова-ния обеспечено максимальное разрушение агрегатов муки с целью превращения механически связанной влаги в свободную.
Химически связанная влага - это наиболее прочно связанная влага, собственная влага муки и других компонентов, которая практически не участвует в коллоидных процессах, хотя ее содержание в муке 14,5 %.
Адсорбционно связанная влага прочно связана с частицами дисперсной фазы за счет молекулярного силового поля, всегда возникающего вследствие некомпенсированное™ молекулярных сил в междуфазном поверхностном слое. Однако толщина этого слоя ограничивается одной-двумя молекулами воды, и далее связь резко ослабевает.
Своеобразие адсорбционного слоя заключается в том, что влага, находящаяся под действием молекулярных сил в уплотненном состоянии, не растворяет обычно растворимые вещества (соль, сахар и т.п.), имеет плотность больше единицы, ее диэлектрическая постоянная меньше, чем у свободной влаги, и температура замерзания более низкая.
Очевидно, что происходит образование монослоя со свойствами твердого тела, который прочно удерживает до 30 % влаги. Такое условие обеспечивается при максимальном увеличении удельной поверхности и равномерном распределении дисперсионной среды вокруг дисперсной фазы.
Таким образом, система подготовлена к проявлению основного биотехнологического процесса - осмотическому набуханию.
Осмотическое набухание муки осуществляется за счет самопроизвольно протекающего процесса выравнивания концентраций низкомолекулярных фракций глиадина и перехода влаги дисперсионной среды внутрь высокомолекулярной фракции до тех пор, пока этот переход не будет компенсироваться направленным навстречу током растворителя (рис. 3). При этом обеспечивается резкое увеличение объема высокомолекулярной фракции.
Использование такого комплексного подхода для понимания формирования дисперсной системы с определенными структурно-механическими свойствами позволило нам управлять биохимическим процессом получения упруго-пластично-вязкого теста путем изменения количества рецептурных компонентов.
Так, высокое содержание сахарного песка в дисперсионной среде ограничивает набухание за счет повышения толщины белковой, что приводит, в свою очередь, к повышению хрупкости и пластичности.
Как только количество сахарного песка снижается, а в упруго-пластично-вязком тесте сахара в 2 раза меньше по сравнению с пластично-вязким тестом,
Глютенин
Глпадин
Вода
Рис. 3. Модель осмотического набухания жолекулы жуки
обеспечивается резкое повышение объема высокомолекулярной фракции, значительное снижение дисперсионной среды, что приводит к образованию более прочной пространственной решетки и прочной тестовой ленты. Кроме частичной концентрации, управлять осмотическим давлением можно, измененяя дисперсность частиц и переводя кристаллы сахара в сахарную пудру.
Пространственная решетка теста образуется в основном за счет белков муки, хотя количество не превышает 11-12 %, так как крахмал может набухать только при температуре 60 °С или при повышенном давлении.
Белок представляет собой глобулу, образованную за счет действия высокомолекулярной и низкомолекулярной фракции. Первичная структура белковой молекулы образована за счет пептидных связей. При соединении водородными связями полипептидных нитей образуется вторичная структура молекулы белка. Вследствие возникновения дисульфидных (-S-S-) между боковыми цепочками полипептидных цепей образуется третичная структура молекулы белка.
В отличие от пластично-вязких систем на образование упруго-пластично-вязких идет большее количество воды (15-17 и 22-28 %). Классическими приемами оптимизации рецептур за счет отказа от жидких рецептурных компонентов в пользу безводных обеспечивается использование растительного сырья, в частности фруктово-ягодного сырья, в количестве до 20 %. Благодаря этому возможно использование фруктово-овощного сиропа с пониженным содержанием массовой доли сухих веществ 40 и 50 %. Установлено, что при производстве упруго-пластично-вязкой системы возможно использовать до 18 % растительного (плодоовощного) сырья, что позволит сократить количество сахара песка в рецептуре на 20 кг на 1 т готовой продукции.
Таким образом, очевидно, что формирование сложной упруго-пластично-вязкой системы невозможно без учета сложного сочетания биохимических, коллоидно-химических и физико-химических процессов образования структуры, которые протекают в дисперсной системе с момента возникновения контакта между жидкой и твердой фазами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Аксенова, A.M. Научные основы развития технологии кондитерских изделий [Текст] / A.M. Аксенова, Т.В. Савенкова, И.М. Святославова. - М.: Изд-во Интеллект
- Центр, 2013. - 319 с.
2. Аксенова, A.M. Развитие технологических систем кондитерской промышленности [Текст]/ A.M. Аксенова. - М.: Пищепромиздат, 2003. - 301 с.
3. Корячкина, С.Я. Технология мучных кондитерских изделий [Текст]/ С.Я. Ко-рячкина, Т.В. Матвеева. - СПб.: Троицкий Мост, 2011. - 400 с.
4. Талейсник, М.А. Пищевые дисперсные системы [Текст]/ М.А. Талейсник, Н.Б. Урьев. - М.: Агропроимздат, 1985. - 297 с.
REFERENCES
1. Aksenova, L.M. The scientific basis for the development of technology of confectionery [Text]/ L.M. Aksenova, T.V. Savenkova, I.M. Svyatoslavova. - Moscow, 2013. -319 p.
2. Aksenova, L.M. Development of technological systems for the confectionery industry [Text]/ L.M. Aksenova. - Moscow, 2003. - 301 p.
3. Koryachkina, S.I. Technology of flour confectionery products [Text]/ S.I. Kor-yachkina, T.V. Matveeva. - St. Petersburg, 2011. - 400 p.
4. Taleysnik, M.A. Food dispersion systems [Text]/ M.A. Taleysnik, N.B Uriev.
- Moscow, 1985. - 297 p.
