Влияние воды на интенсивность технологических процессов. Активность воды

Чем больше воды в тесте, тем интенсивнее протекают процес­сы набухания и пептизации белков, тем больше в нём жидкой фазы, скорее происходит его разжижение. В пшеничном тесте для различных сортов хлеба и хлебобулоч­ных изделий может быть от 35-40 до 72-75 % воды к массе муки. Это зависит от ряда факторов: сорта хлеба и хлебных изделий, выхода, влажности и силы муки, количества сахара и жира, вносимых в тесто по рецептуре, способов и режимов приготовления теста.

Содержание воды в тесте определяет действие ферментов и влияет на жизнедеятельность его бродильной микрофлоры, на интенсивность брожения и скорость размножения дрожжей и молочнокислых бактерий. В связи с этим влажность теста необхо­димо контролировать, так как она фактически предопределяет влажность мякиша хлеба, регламентируемую стандартом.

Активность воды выражается отношением давлений паров во­ды над данным продуктом и над "чистой" водой при одной тем­пературе. Активность воды характеризует ее состояние и способ­ность участия в физических, химических и биохимических реак­циях. Чем больше воды в связанном состоянии, тем ниже ее активность. Прочносвязанная вода не является растворителем, не вступает в реакции. Связанная вода может обладать активностью. Например, повышение ферментативных превращений обусловле­но активностью воды. Ниже молекулярного слоя ферментатив­ные реакции не протекают.

В последнее время эмпирически установлена возможность активации водных систем различными физическими воздействия­ми: магнитными, акустическими, электрическими, термическими, насыщения газами, в том числе кислородом и др. Одним из пер­спективных является электрохимическая активация воды. Вода - слабый электролит. В процессе электролиза около катода она приобретает явно щелочной характер, а у анода - кислый. Если не перемешивать порции электролита катодных и анодных зон, электрохимическая активация сохраняется длительное время при включенном источнике энергии. Избыток потенциальной энергии постоянно переходит в кинетическую, активность воды сни­жается до нуля, но вода в больших объемах может пребывать в активном состоянии от нескольких до десятков часов. Анолитная и католитная фракции ведут себя как сильная щелочь и кислота. В них растворяются органические и неорганические вещества, растворимые только в концентрированных растворах кислот и щелочей.

При униполярной электрохимической обработке, как обычной водопроводной воды, так и некоторых жидкостей изменяются электропроводность, поверхностное натяжение, плотность, окис­лительно-восстановительный потенциал, водородный показатель, диэлектрическая проницаемость.

Появление аномальных свойств активированной воды, очевид­но, связано с возникновением в воде свободных радикалов, кото­рые выполняют роль катализаторов химических превращений. В силу своей природы они несут в себе большой запас анергии, по­лученной ими при разрыве межмолекулярных связей, очень реакционноспособны, легко взаимодействуют с компонентами водной среды. Энергия активации реакций с ними очень мала, также хи­мические превращения идут с большими скоростями.

При использовании активированной воды в технологических процессах запас потенциальной энергии в ней способствует из­менению скорости и направления многих, химических и физио­логических реакций. Электрохимическая активация позволяет изменить технологический процесс без различных добавок, при­близив к оптимальному. Свойство активированной воды изме­нять поверхностное натяжение может быть использовано для создания стойких пен или их разрушения. Активация коррозионно-активной среды перед прокачкой ее по трубопроводу исклю­чает появление ржавчины в нем.

Жидкости, подвергнутые активации, оказывают мощное воз­действие на биологические объекты. Есть предположение, что активация вызывает повышенную проницаемость биомембран, содействует более интенсивному действию ферментов. Увеличе­ние восстановительного потенциала среды способствует росту микроорганизмов, ускоряет процессы регенерации органов, тка­ней, отдельных клеток. Активированная вода влияет на интен­сивность обмена веществ, обладает бактерицидными свойствами, сохраняющимися и при нагревании. Эти свойства можно широко использовать в хлебопечении.

ДРОЖЖИ, МОЛОЧНОКИСЛЫЕ БАКТЕРИИ. СВОЙСТВА, РОЛЬ В ПРИГОТОВЛЕНИИ ТЕСТА И ХЛЕБА

Дрожжи и молочнокислые бактерии играют основную роль в формировании теста и хлеба. Без них получить качественный хлеб нельзя. Если в приготовлении хлеба из пшеничной муки регулируемым фактором является спиртовое брожение, вызывае­мое дрожжами, то молочнокислое возникает спонтанно. Для тес­та из ржаной муки главным считается молочнокислое брожение с накоплением значительного количества органических кислот, в том числе молочной.

Дрожжи - одноклеточные микроорганизмы, относящиеся к классу грибов S. cerevisiae обладающих биологически активными веществами и высокой ферментативной активностью. Дрожже­вые клетки имеют шаровидную или овальную форму содержат до 75 % влаги. Сухие вещества клетки состоят из белков 44--67 %, минеральных веществ 6-8 %, углеводов до 30 %. В дрожжах на­ходятся разные витамины и ферменты.

Дрожжи для своей жизнедеятельности должны получать энер­гию за счет разложения Сахаров и целого ряда других, важных водорастворимых веществ (азотистые соединения, минеральные вещества, витамины и др.).

Дрожжевая клетка сложный по строению, живой организм с многогранной функциональной деятельностью. Для активной работы клетки необходимо транспортировать в неё ряд питатель­ных веществ.

Транспорт веществ из внесшей среды обеспечивает клеточная стенка дрожжевой клетки - цитоплазматическая мембрана. В ней сконцентрированы места синтеза ДНК. Вблизи мембраны распо-ножены ферменты окисления жиров, трикарбоновых кислот. На мембранах находятся ферменты гликолиза, протеолиза и эстера-1Ы. Неполярные аминокислоты, витамины, стероиды имеют важ­ное значение в жизнедеятельности клетки. Эта гидрофобная об­меть мембран является местом их аппликации и работы. Транс­порт углеводов зависит от их строения, поглощения Н⁺ и ОН" - групп.

Митохондрии - сферические или удлиненные автономные внутриклеточные органеллы, содержащие ферментные системы.

В их функции входят окислительные реакции, перенос электро­нов по цепи реакций синтеза АТФ и синтез части митохондриальных белков. В результате деятельности митохондрий на каж­дую перенесенную пару электронов образуется три молекулы АТФ. Последние являются универсальным источником энергии для жизненных процессов в клетке.

Рибосомы представляют собой ультрамикроскопические гра­нулы в виде неправильных шариков, состоящих из белка и РНК. Из них осуществляется синтез белков и ферментов. Ядро имеет оболочку, которая обеспечивает обмен между цитоплазмой и ядром. В ней найдены ферментные системы, участвующие в син­тезе ДНК и РНК.

Вакуоли образуются в клетках дрожжей при старении. В них содержатся питательные вещества, продукты жизнедеятельности и гранулы резервных веществ в виде волютина, жира, глюкогена и треголозы. Вакуоли участвуют в осмотической регуляции и яв­ляются местом различных окислительно-восстановительных про­цессов.

Обмен веществ в дрожжевых клетках с участием ферментов реализуется с помощью каталитического центра. Часть фермен­тов представлена сложными белками, содержащими кроме апофермента (белковой части) кофермент (простетичсская группа). Кофермент определяет природу катализируемых реакций и влия­ет на их скорость.

Группа коферментов, влияющая на интенсивность дыхания и брожения, представлена НАД и НАДФ, ионами металлов, вита­минами. Эти коферменты переносят ионы водорода или электро­ны, связаны с окислительно-восстановительными ферментами - оксидоредуктазами, к которым принадлежат дегидрогеназы. К числу активирующих ионов металлов относятся ионы калия, на­трия, магния, марганца, цинка, кальцин и ряд других.

Вторая группа коферментов, участвующая в переносе групп атомов, связана с трансферазами.

К третьей группе коферментов, катализирующие реакций син­теза, распада и изомеризации углеродных связей относятся тиа-минпирофосфат, биотин, производные витамина B_]2 (цианкобаламин).

При росте и размножении основные функции дрожжевых кле­ток S. cerevisiae связаны с метаболизмом при дыхании в аэроб­ных условиях.

Механизм аэробного процесса заключается в полном окисле­нии глюкозы или другого углеродсодержащего вещества до С0₂ и воды. Выделяемая энергия (2872 кДж) используется для синте­за биомассы.

Дрожжевые клетки обладают способностью производить пере­стройку внутриклеточной ферментной системы и метаболических путей при изменении состава питательной среды и условий жиз­недеятельности.

При анаэробной диссимиляции углеводов протекает спиртовое брожение. Анаэробный распад углеводов проходит 2 основные стадии, которые осуществляются с помощью 12 ферментов.

Промежуточным продуктом является пировиноградная кисло­та, которая под действием пируватдекарбоксилазы превращается в С0₂ и уксусный альдегид. Последний под действием алкоголь-дегидрогеназы преобразуется в этиловый спирт при регенерации молекулы НАД.

Энергетический эффект анаэробного использования углеводов дрожжевой клеткой невелик (113 кДж), поэтому для получения необходимой энергии дрожжи должны потреблять значительное количество гексозы.

В химизме дыхания и брожения имеются глубокие различия. Переход с одного типа жизнедеятельности (аэробного) на другой (анаэробный) связан с АТФ. Процесс спиртового брожения со­провождается образованием АТФ, АДФ, и фосфата, при этом из одной молекулы Д - глюкозы образуется две молекулы АТФ. Кроме того, от глицеральдегидфосфата к пировиноградной кислоте переносятся четыре электрона в форме 2 НАДН + 2Н⁺.

Наиболее важные ферментные системы брожения сконцентри­рованы в растворной фракции цитоплазмы дрожжей.

Изучение различных физических свойств биомассы клеток (парциональное давление паров воды, теплота испарения, диэлектрические постоянные и др.) показало, что при влажности биомассы дрожжевых клеток свыше 20 % объем клеток заполнен во­дой и клетка функционирует как непрерывная среда. Если биомасса содержит 10-20% влаги, то это в основном связанная вода.

Клеточные коллоиды в данном случае переходят в гели, протека­ние всех ферментативных процессов затрудняется. При влажно­сти биомассы 5-10 % ее физические свойства резко изменяются, однако возможен обмен между молекулами воды и некоторыми веществами на близлежащих участках. Если влажность биомассы менее 5 %, вода в клетке локализуется в пределах определенных структурных элементов. При таком обезвоживании биомассы микробной культуры часть клеток повреждается и инактивируется.

Дрожжевые клетки активно реагируют на совокупность внеш­них факторов и способны к анабиозу, автолизу, плазмолизу, му­тации, адаптации и агглютанизации.

В производстве хлебопекарных дрожжей широко используется анабиоз, а в хлебопечении - адаптация. Способность дрожжевых клеток впадать в состояние анабиоза используется для их выде­ления из питательной среды и хранения в прессованном или су­шеном виде.

При хранении сушеных дрожжей выделяется С0₂ и уменьша­ется количество сухой массы. Так, при хранении сушеных дрож­жей влажностью 10-12 % в герметических сосудах при 30 °С уже через 2 недели количество С0₂ в сосудах увеличивается почти в 10 раз, т.е. до 2,5-3 %, а количество 0₂ уменьшается до 18-19 %.

При хранении прессованных дрожжей происходит изменение их химического состава, снижается влажность и содержание су­хих веществ. Превышение сроков хранения приводиn к тому, что дрожжевые клетки начинают потреблять запасные углеводы (трегалозу и гликоген), качественные показатели дрожжей снижают­ся.

Среди полипептидов дрожжевых клеток, имеющих особое зна­чение для технологии хлебопечения, следует выделить глютатион. Этот трипептид - глютаминил - цистеинил - глицин сущест­вует в двух формах - окисленной (содержит дисульфидную груп­пу) и восстановительной (содержит группу SH) - и принимает участие в окислительно-восстановительных реакциях в дрожже­вой клетке. Восстановительные свойства глютатиона могут ока­зывать отрицательное влияние на белковый комплекс и реологи­ческие свойства теста.

При симбиотическом развитии дрожжевые клетки и молочно-кислые бактерии обогащают друг друга продуктами жизнедеятельности. В процессе размножения дрожжевых клеток при производстве жидких дрожжей в среде накапливается ряд экстрацеллюлярных продуктов метаболизма, что делает ее более благоприятной для развития молочнокислых бактерий. Так, потребности Lactobacillus bulgaricus пантотеновой кислоте и рибофлавине компенсируются метаболитами Candida parapsilosus. В присутст­вии дрожжей молочнокислые бактерии могут развиваться в средах, в которых они самостоятельно не размножаются. Это на­блюдается в питательных смесях, лишенных ряда витаминов, аминокислот, пуриновых и пиримидиновых оснований. Опреде­ленные виды дрожжей способны ассимилировать органические кислоты - продукты метаболизма молочнокислых бактерий в процессе брожения.

МОЛОЧНОКИСЛЫЕ БАКТЕРИИ

Рожь, по сравнению с пшеницей, имеет белки, склонные к неограниченному набуханию и пептизации, а мицеллярная структу­ра крахмала отличается меньшей прочностью и большей атакуемостью собственными активными а- и β - амилазами. Слишком сильная пептизация белков приводит к снижению вязкости ржа­ного тоста, плохой формоудерживающей способности, расплываемости. Амилазы способствуют накоплению декстринов, ухудшающих структуру мякиша ржаного хлеба. Во избежание этого необходимо повышать кислотность теста в определенных пределах. Накопление молочной кислоты особенно регулирует гидрофильные свойства коллоидов ржаной муки и снижает ак­тивность ферментов, что повышает качество хлеба. Поэтому роль МКБ в приготовлении ржаного хлеба исключительно важна.

При сбраживании сахаров образуются молочная, уксусная, пропионовая, муравьиная кислота, спирт и диоксид углерода, что способствует формированию структуры теста, вкуса и аромата. Молочнокислые бактерии вызывают частичный протеолиз белков муки, вследствие чего в заквасках и тесте накапливаются азотсо­держащие и водорастворимые вещества, которые играют опреде­ленную роль в создании аромата хлеба. Образуемые МКБ кисло­ты не влияют на работу дрожжей, подавляют гнилостные, маслянокислые, уксуснокислые бактерии, плесневые грибы, представителей группы кишечной палочки.

Таблица 1. Микрофлора высококислотных заквасок спонтанного брожения

Влажность, %	Густая закваска при температуре 40°С	Жидкая закваска при температуре
Длительность броже­ния, ч

Селекционированы следующие штаммы: L. plantarum 6, L. fer­menti 7, L. casei 44, L. delbrueckii 36. Проверка сохраняемости этих культур в заквасках показала, что вносимые монокультурь преобладали, особенно L. fermenti, L. casei. Культура L. plantarum, вытеснялась L. casei. Смесь указанных штаммов, кроме L. plantarum, L. brevis давала положительные результаты.

Повышение температуры до 40°С стимулировало размножени МКБ в первые 4 часа брожения, после чего общее количество снижалось. В период высокого кислотообразования наиболее активно размножались гетероферментативные МКБ. После 8 – 12 часов брожения возрастало содержание гомоферментативных casei, L. delbrueckii.

Кроме того, в заквасках и тесте могут размножаться некоторые бактерии, вносимые с мукой, типа Bacterium levans. Развиваясь в среде образуют молочную кислоту, значительное количество летучих кислот и газов (водорода, азота и углекислого газа). Однако размножение этих бактерий часто подавляется основной микрофлорой заквасок и высокой кислотностью среды. На жизнедеятельность МКБ и сохраняемость их в процессе ведения закваски значительное влияние оказывают температура, состав питательной смеси и другие факторы.

СОЛЬ. ЕЁ РОЛЬ В ФОРМИРОВАНИИ ТЕСТА - ХЛЕБА

Минеральные вещества, в том числе хлорид натрия, необходи­мая часть питания человека наряду с белками, углеводами, липидами. Они входят в состав клеток, регулируют водный обмен, поддерживают кислотно-щелочное равновесие. Вместе с другими минеральными веществами натрий поступает в организм челове­ка с продуктами животного происхождения и при досаливании пищи поваренной солью. Норма потребления соли для взрослого человека 0,5 г/сут, безопасной нормой считается 3-8 г/сут. По­требление NaCl в России достигает до 10-15 г/сут. Чрезмерное потребление соли вызывает различные заболевания, в том числе сердечно-сосудистые.

Однако невозможно просто исключить соль из рецептуры мас­совых сортов хлеба. Можно определить минимальный уровень NaCl в хлебе, чтобы не снизить вкусовые достоинства изделий и качестве хлеба.

Соль относится к основному сырью производства хлебобулоч­ных изделий и, в зависимости от вида изделий, дозируется в тесто при замесе 1 - 2,5 к массе муки.

Поваренная соль придает вкус хлебу и является улучшителем реологических свойств теста.

В хлебопечении применяется соль поваренная пищевая, ГОСТ 13830-91. Государственный стандарт предусматривает выпуск 4-х сортов соли: экстра, высшего, I и П. При производстве хлеба ис­пользуется соль I и II сортов. В ней должно содержаться, влаги не более 5 и 6 %, хлорида натрия не менее 97,7 и 97 % на СВ. Пре­дусмотрено и максимально допустимое содержание в хлорид натрия солей Са, Mg, Fe₂0₃, Na₂S0₄. Соль должна быть без посторонних механических примесей, без запаха.

В формировании теста соль оказывает разноплановое влияние. Она угнетающе действует на жизнедеятельность микроорганизмов, инактивирует амилолитические и протеолитические ферменты муки, участвует в преобразовании клейковинных белков третичной и четвертичной структурах.

Внесение поваренной соли в тесто до 1 % к массе муки (при отлежке теста до отмывания клейковины в течение 60 мин) увеличивает растяжимость клейковины. Внесение большего количества соли или увеличение срока отлежки теста до отмывания снижает растяжимость клейковины. Добавление в тесто без дрожжей 1,5 % поваренной соли укрепляет тесто и уменьшает степень его разжижения при выдержке, повышает вязкость. При этом количество клейковины, отмываемой из солевого теста сразу после замеса, повышается на 2-4 % против контроля без соли, а после 2-4 ч. выдержки - на 1-3 %, что сопровождается повышением гидратационной способности клейковины

Сущность действия хлористого натрия, как улучшителя хлебо­пекарных свойств теста, состоит в увеличении гидратации клейковины, благодаря чему облегчается ее формирование в тесте и уменьшается содержание свободной воды.

Для свойств клейковины большое значение имеет степень ее гидратации. Последняя представляет собой связывание диполей воды с ионами или ионными группами, а также с диполями или полярными группами белка. Большая часть воды, присутствующей в гидратированном белке, состоит из свободных молекул, связанных сетью белковых волокон, И практике хлебопечения хлорид натрия способен адсорбироваться на поверхности белковых молекул. При этом NaCl притя­гивает большое количество воды на "себя" - водопоглотительная способность в тесте увеличивает­ся, так как снижается количество "свободной" влаги. Физические свойства теста улучшаются, качество хлеба повышается. Наиболее рациональным при приготовле­нии жидких полуфабрикатов яв­ляется использование хлористого натрия в качестве средства тор­можения спиртового брожения и кислотонакопления. Это свойство поваренной соли особенно важно для областей с жарким климатом, когда по ходу непрерывного приготовления полуфабрикатов отсутствует возможность регулирования температуры полуфабрикатов и помещения, а также при переработке муки из проросшего зерна с повышенной актив­ностью ферментов углеводно-амилазиого и белково-протеиназного комплекса. При этом в полуфабрикатах накапли­ваются в большом количестве вещества, вызывающие чрезмер­ную а ктивацию микроорганизмов.

Снижение активности брожения и кислотообразования способ­ствует улучшению качества продукции и снижению затрат сухого вещества на брожение.

При переработке муки со слабой клейковиной, в том числе из пшеницы с примесью зерна, поврежденного клопом-черепашкой, хлористый натрий применяется для торможения процессов из­лишней дезагрегации белка, улучшения физических свойств теста и качества хлеба - его формоустойчивости, объема и состояния мякиша.

Поваренная соль используется также для консервации полу­фабрикатов при вынужденных простоях и необходимости сниже­ния вязкости полуфабрикатов (по условиям производства). При добавлении хлористого натрия в полуфабрикаты из муки с удов­летворительным качеством клейковины вязкость их снижается даже при массовой доле его 0,4 %, при дальнейшем увеличении дозировки вязкость остается почти на одном уровне.

При добавлении хлористого натрия в полуфабрикаты из муки со слабой клейковиной вязкость их повышается.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МУКИ

Мука - сложная многокомпонентная система. При созревании и хранении в ней происходят изменения отдельных составляющих структурных компонентов и сложные взаимодействия между ними, что приводит к изменению свойств муки. Уставлено, что в муке непостоянны влажность, кислотность, цвет, свойства клейковины, актив­ность ферментных систем, гранулометрический состав и т.д. На это оказывает влияние перенос тепла, связанный с тёплофизическими свойствами муки. В свою очередь теплофизические свойства муки определяются влажностью.

При хранении и транспортировки муки необходимо учитывать такие ее физические свойства, как сыпучесть, скважистость(сорбционная емкость) и теплофизические характеристики.

Мука состоит из очень мелких частиц различной величины и формы, имеющих значительный коэффициент трения. С повышением влажности сыпучесть муки уменьшается. При влажности 15% она становится малосыпучем продуктом.

Мука имеет значительную скважистость (40-60%), характеризующуюся мелкопористой структурой.

Скважистость – наличие пор, делающее муку проницаемой для жидкостей и газов, заполненные воздухом промежутки между частицами муки.

От скважистости зависит объемная или насыпная масса продукта. Чем выше скважистость, тем меньше продукта поместится в емкость определенного размера, поэтому скважистость учитывают при проектировании хранилищ и транспортных средств.

Высокое значение скважистости продукта приводит к высокой газопроводности, улучшая в нем газообмен.

Скважистость муки зависит от способа заполнения силоса, контейнера для перевозки или мешка. При продолжительном хранении и достаточной влажности происходит снижение скважистости, что может привести к слеживанию.

Мука обладает значительной способностью к сорбции и десорбции водяных паров, а также других паров и газов. Она быстро сортирует влагу из окружающего воздуха благодаря внешней диффузии молекул пара и капиллярной конденсации.

Влажность муки 15% соответствует равновесной влажности при хранении муки в складах с температурой 18°С и относительной влажностью воздуха 70 - 75 %.

Равновесное влагосодержание муки в зависимости от относительной влажности воздуха изображается в виде S-образной кривой, называемой изотермой сорбции и десорбции, в координатах W=f(φ), где влажность материала определяется по отноше­нию к сухому веществу

Рис. 2 Изменение связи влаги в муке:

W_P - равновесная влажность;

W_г - гигроскопическая влажность.

Муке свойственно явление сорбционного гистерезиса. Мука быстрее отдает влагу сухому воздуху, чем восстанавливает свою исходную влажность при помещении ее в среду с влажным воздухом..

На величину равновесной влажности влияет выход муки. Наибольшей гигроскопичностью обладает мука 96%-ного выхода. Если частицы муки увлажнены или находятся в гигроскопическом равновесии с окружающей средой, наибольшая влажность наблюдается у поверхности.

При десорбции, несмотря на потерю влаги с поверхности, она одновременно перемещается из внутренних слоев к наружным.

Перед закладкой муки на хранение целесообразно ее охладить.

На участке OA в интервале влажности воздуха от φ= 0 до φ=0,15. Кривая имеет характерную для мономолекулярной адсорбции выпуклость к оси абсцисс. Поглощение влаги на этом участке связано со значительным выделением тепла, что харак­терно для образования мономолекулярного слоя на поверхностях внутренних и внешних мицелл.

На участке АВ для φ =0,15 - 0,9 изотермы обращены выпукло­стью к оси ординат, что характерно для полимолекулярной ад­сорбции. Поглощение влаги также сопровождается выделением тепла, но в значительно меньшем количестве.

На участке ВС при φ = 0,9-1,0 изотерма близка к прямой, влага связана в основной капиллярными силами (радиус капилляра r<10^-5).

Вблизи φ = 1 происходит заполнение макрокапилляров за счет осмотического проникновения жидкости внутрь клеток ма­териала, что соответствует гигроскопической влажности Wг.

В настоящее время еще нет строгого аналитического решения изотерм сорбции и десорбции, которое могло бы выразить един­ство видов связи влаги с материалом, так как на различных уча­стках влага имеет различный характер связи с материалом. Пред­лагается ряд приближенных уравнений, но они описывают кри­вые только в определенных интервалах. Так, для интервала 0,1-0,9 составлена эмпирическая формула: W_p = (а ∙ φ)/(b-φ), где

W_p - равновесная влажность, %;

а и b - постоянные коэффициенты, зависящие от температу­ры;

φ - относительная влажность воздуха, %.

Для обработки S-образных кривых предложено уравнение

А = х/(а+bх),

где A-log [20φ/log(100-φ)];

а - отрезок, описываемый прямой, полученный при спрямлении в координатах X;

Х/Аж и - тангенс наклона к этой прямой. Для уравнений сорбции и десорбции муки

log [20φ/log(100-φ)] =Wp/(a+bW_p).

Это решение просто и удобно для нахождения W_p, так как зна­чение А даётся в виде таблиц, и остаётся только построить выпрямленную сигмавидную кривую и определить а и b.

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МУКИ И ТЕСТА

Теплофизические свойства обусловливает характер и скорость нагревания и охлаждения материала.

При созревании муки выделяется теплота за счет адсорбции влаги. На созревание влияет и начальные температурные условия - прогрев муки пе­ред загрузкой ее в бункера бестарного хранения и др.

К теплофизическим свойствам муки и теста относят также теплоту, выделяющуюся при физико-химических процессах, и функции состояния (внутреннюю энергию, энтальпию и др.).

Характеристики теплофизических свойств

λ – теплопроводность Вт/(м∙К),

α – температуропроводность, м² / с

С – теплоёмкость, Дж/К,

Теплопроводность – перенос теплоты структурными частицами вещества в процессе их теплового движения

Закон Фурье

вектор потока энергии (количество энергии), проходящей в единицу времени через единицу площади перпендикулярно к каждой оси.

коэффициент теплопроводности, [Вт/(м∙К)]

Температуропроводность – величина, характеризующая скорость изменения температуры.

Численно равна отношению коэффициента теплопроводности к произведению удельной теплоемкости (при постоянном давлении) на плотность.

Коэффициент температуропроводности – физический параметр, характеризующий скорость изменения его температуры в нестационарных тепловых процессах.

α – температуропроводность, [м² / с]

На коэффициент теспературопроводности оказывает влияние влажность, температура, пористость, химический состав и рецептура теста-хлеба и т.д.

Теплоемкость – количество теплоты, поглощаемое телом при нагревании на 1 градус.

С – теплоёмкость, [Дж/К] ,

удельная теплоёмкость, [Дж/ (кг · К)]

Мука, тесто, хлеб - это влажные капиллярно-пористые тела, каждое из которых представляет собой трехфазную систему, состоящую из твердого каркаса, воздуха в порах и воды. Влага, находящаяся в порах, оказывает большое влияние на теплофизические характеристики.

Процессы тепло и температуропроводности определяются влажностью вещества.

Теплота передается через твердый каркас вещества и воздух в порах конвекцией и изучением между стенками пор. Все виды переноса теплоты характеризует эквивалентный коэффициент теплопроводности

λэкв=λ +λк +λл, где

λ - истинный коэффициент теплопроводности твердого скелета и воздуха в порах, Вт/(м∙К),

λ _к - коэффициент переноса теплоты конвекцией, Вт/(м∙К)

λ _л - коэффициент лучистой теплопроводности, Вт/(м∙К).

Можно пренебречь конвективным теплообменом, если диаметр пор менее 5 мм и перепад температур менее 10°С, и лучистым, если диаметр пор менее 0,5 мм. Тогда для сырья и полуфабрика­тов хлебопекарного производства λ _экв = λ.

Для пшеничной муки 1-го сорта с ростом влажности (в интер­вале влажности 10-20 %, наиболее характерной для производст­венных условий) тепло- и температуропроводность равномерно повышаются. Это объясняется тем, что точечное соприкоснове­ние частиц сухого материала с воздушными прослойками стано­вится более тесным посредством прослоек, занятых водой. При увеличении влаги в муке количество воздуха в ней уменьшается, что приводит к заметному увеличению λ. Жидкость в материале перемещается в присутствии "защемленного" в порах воздуха, если связь влаги с материалом осмотическая. Чем мельче и рав­номернее поры, тем больше общая поверхность образования тон­кой водной пленки.

С ростом влажности λ, α = f (W) увеличиваются и в значитель­ной мере зависят от плотности муки, которая находится в бунке­рах бестарного хранения муки. С увеличением плотности муки в бункерах бестарного хранения теплопроводность растет (при од­ной и той же влажности). Это объясняется меньшим содержанием воздуха в материале и более плотным контактом структурных элементов муки и воды.

Для муки 1-го сорта в интервале W = 10-20 % при t = 20 °С и

ρ = 600 кг/м³ λ = 0,14 - 0,15 Вт/(м∙ К),

при ρ = 800 кг/м³ λ = 0,16 - 0,17 Вт/(м∙К),

при ρ = 1000 кг/м³ λ = 0,168 - 0,19 Вт/(м∙ К).

Температуропроводность муки в бункере при ρ от 600 до 900 кг/м³ составляет 18,8 - 15,7 м²/с, т.е. изменяется незначительно.

Удельная теплоемкость муки 2,1 кДж/(кг · К)

0,5 ккал/(кг · К)

Теплофизические характеристики теста из пшеничной муки 1-го сорта при W = 41-49 % и температуре 28-30°С значительно превышают характеристики муки. Так, если при замесе теста λ = 0,57 Вт/(м∙К), то после 60 мин брожения λ = 0,42 Вт/(м∙К) и т.д.

В процессе брожения, разделки и расстойки плотность теста и муки меняется. Например, при замесе она равна 1180 кг/м³, после брожения - 900, деления - 1040, расстойки - 670, а готового изделия - 400 кг/м³. Следовательно, процесс брожения оказывает большое влияние на плотность массы, поэтому теплофизические характеристики для каждой стадии тестоприготовления должны быть оптимальными.

Обработка экспериментальных данных по коэффициенту теплопроводности теста из пшеничной муки 1-го сорта влажностью W = 41 - 49 % при температуре Т = 301-313 К позволяет для ρ = 585 - 1150 кг/м³ вычислить значение теплопроводности: λ = 0,159 + 0,000263 ρ.

Более сложны зависимости λ = f (t, τ, ρ) для выпечки теста - хлеба, так как перенос теплоты связан с переносом массы - термовлагопроводностью.

Удельная теплоемкость теста, Дж /(кг∙К), может быть определена по формуле аддитивности С= 1675 + 25,1∙ W.

РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЕСТА

Тесто является сложной системой, которая в различных усло­виях проявляет свойства упругого тела или вязкой жидкости. Для него характерны такие реологические свойства, как вязкость, уп­ругость, эластичность, пластичность, релаксация. Она зависят от значения деформации и ее характера, силы муки, влажности тес­та, температуры тестоведения, рецептуры, свойств сырья, внесе­ния ферментных препаратов, окислителей и т.д.

Зная реологические свойства теста, можно заранее определить усилия перемещения и формования теста, а также способность тестовых заготовок сохранять форму, рисунок, объём, преду­смотреть улучшители (ферментные, окислительные, ПАВ, белко­вые обогатители и др.), а затем выбрать оптимальные технологи­ческие режимы, прогрессивную технологию, обеспечивающие высокое качество готовых изделий. Эти мероприятия лучше всего выполнять при помощи ЭВМ, в память которой заложе­ны различные варианты формирования свойств теста.

Изучив реологические свойства теста на границе контакта с различными конструкционными материалами, можно выбрать материалы, снижающие прилипание, адгезию теста к поверхно­сти машин и оборудования.

Можно использовать эти свойства и в качестве контроли­руемых параметров в автоматизированных системах управления отдельными технологическими или целыми производственными участками.

Реологические свойства характеризуют поведение теста в ус­ловиях напряженного состояния, связывающего между собой на­пряжение, деформацию и скорость формаций. В свою очередь технологические свойства теста позволяют определить законо­мерности его образования, обосновать и рассчитать параметры технологических процессов брожения, формования, расстойки и выпечки.

Тесто с неразрушенной структурой

Наиболее полную картину изменения реологических свойств теста дают кривые деформации ε во времени τ, полученные пу­тем определения кинетики деформации чистого сдвига в период приложения деформирующей силы и после снятия ее (рис. 3).

Рис. 3. Кинетика развития и спада деформа­ции: г_т - полная деформация; е₀- упругая деформация

В этом случае структура теста не разрушается (статическое по­ведение материала) так как определения происходят плоскопа­раллельном или коаксиальном зазоре до разрушения структуры. Если к тесту приложить напряжение σ = σ_т (σ_т - статическое предельное напряжение сдвига, при котором система начинает движение), то развитие деформации будет следующим.

При мгновенном приложении напряжения о возникает упругая обратимая деформация ε_с = σ/Е (Е - модуль мгновенной упругости). Далее деформация идет по участку АВ, криволинейность которого объясняется явлением упругого последствия, когда од­новременно развиваются упругие и пластичные действия.

Через определенное время устанавливается прямолинейная за­висимость (участок ВС - стационарный процесс пластичного необратимого течения), сохраняющей постоянное значение упругой деформации, так как наклон на участке ВС нарастает. Скорость характеризуется тангенсом угла наклона прямой ВС, которая прямо пропорциональна (σ - σ_Т) / η_пл и обратно пропорциональна пластической вязкости η_пл. Продолжив прямую ВС до пересече­ния с осью деформации, можно найти значение ε_m, то есть упругой части деформации криволинейного участка АВ, или ε_m - ε₀

высокоэластичной деформации. Эластичность теста способствует образованию и сохранению его пористой структуры, но в тоже время препятствует правильному делению на куски и сохране­нию отформованного рисунка или формы тестовой заготовки.

Если в какой-то период времени τ₁ снять напряжение, то сразу исчезнет часть упругой деформации ε_о (СД = OA), а затем с тече­нием времени восстановится деформация ε_m . В дальнейшем кри­вая будет асимптотически приближаться к оси времени, но часть деформации останется (ε_ост)-

Таким образом, упруговязкопластичные свойства теста с не­разрушенной структурой могут быть охарактеризованы пятью независимыми константами системы, определяемыми с помощью кривых ε = f (τ) (см. рис. 2):

упругой ε_о деформацией

эластичной ε_m деформа­циями,

начальным модулем мгновенной упругости E₁ = Р/ ε_о,

наи­большей пластической вязкостью η = α_τ (Р – P₁)/ ε_о

модулем эла­стичности E₁= P/( ε_m – ε_о).

Тесто с разрушенной структурой

Для характеристики дисперсных систем в области разрушен­ной структуры исследуют их течение, строя кривые по формуле

P = f(ε)

где Р - напряжение сдвига, Н/м ; ε - скорость сдвига, с^-1.

Кривые течения не могут быть полностью охарактеризованы вышеприведенными константами ε ₀, ε _m ,Е _, Е₂, η_пл

В области разрушенной структуры принято считать эффективную вязкость η_эф = f (Р) основной характеристикой реологических свойств дис­персных систем, так как она является итоговой характеристикой, описывающей равновесное состояние между процессами восста­новления и разрушения структуры в установившемся потоке. В общем виде кривая течения ε = f (Р) упруговязкопластичного тела имеет S - образный характер и отсекает на оси абсцисс отре­зок, в пределах которого воздействующие на тело напряжения вызывают только упругие деформации (рис. 4).

По реологическим кривым (см. рис.4) можно определить значения характеристик сдвиговых свойств структурированных твердоообразных систем:

эффективную вязкость η _эф,

наибольшую вязкость неразрушенной структуры η_0,

вязкость предельно раз­рушенной структуры η _m,

пределы текучести - условно статиче­ский Р_с,

динамический Р_д (предельное напряжение сдвига),

прочность структуры Р₂ при эластичном разрыве и Р₁ при пластично-вязком разрушении.

В заключение следует добавить, что при изучении структурно-механических свойств теста важно знать не только модули упругости и вязкости, но и отношение вязкости к модулю Т = η/Е, то есть периоду релаксации, который характеризует продолжитель­ность релаксации внутренних напряжений, созданных в дефор­мированном образце при условии постоянной деформации.