Физико-химические процессы при производстве хлебобулочных изделий

Введение

Хлебобулочные изделия получают из муки, воды, соли, дрожжей или закваски и дополнительного сырья путем превращения вязкоупругого теста в пористый, упругий и ароматный продукт. С химической точки зрения это превращение не сводится к нагреванию. На каждом этапе одновременно идут гидратация биополимеров, ферментативный гидролиз, окислительно-восстановительные реакции белков, спиртовое и молочнокислое брожение, фазовые переходы крахмала, тепло- и массообмен, а на поверхности — неферментативное потемнение. Качество мякиша, объем, вкус, цвет корки и сохраняемость изделия определяются тем, насколько согласованы скорости этих процессов [1].

Технологическая цепь включает подготовку сырья, замес, брожение, разделку, расстойку, выпечку, охлаждение и хранение. Для пшеничного и ржаного теста последовательность одинакова по названию операций, но химическая основа структуры различна. В пшеничном тесте непрерывную фазу формирует гидратированная клейковина. В ржаном тесте белки не создают столь прочного каркаса, и реологические свойства зависят от пентозанов, кислотности и состояния крахмала [2].

Выпечка представляет собой нестационарный процесс, в котором температура, влажность и пористость изменяются по толщине заготовки. Математические и экспериментальные описания выпечки рассматривают профили температуры и влаги, расширение пор и закрепление структуры как связанные явления [3]. Поэтому физическая химия хлеба строится на совместном анализе состава сырья, коллоидного состояния теста, кинетики брожения и термических реакций.

Цель работы состоит в том, чтобы систематизировать физико-химические процессы производства хлебобулочных изделий от гидратации муки до черствения готового продукта. Для этого рассматриваются состав и межмолекулярные взаимодействия основных веществ муки, химия замеса и брожения, превращения белков и крахмала при прогреве, формирование цвета и аромата корки, а также молекулярные причины черствения.

Глава 1. Химический состав муки и коллоидная природа теста

1.1. Мука как многокомпонентная пищевая система

Мука является дисперсным продуктом измельчения эндосперма и периферических частей зерна. Ее технологическое поведение задают не отдельные вещества, а их соотношение, степень повреждения при помоле и доступность для воды и ферментов. В пищевой химии зерновые продукты относят к системам, где главные макронутриенты — крахмал и белки, а липиды, пентозаны, минеральные вещества, витамины и ферменты присутствуют в меньших количествах и при этом сильно влияют на структуру [4]. Биохимия зерна связывает этот состав с сортом, условиями созревания и состоянием белкового и углеводно-амилазного комплексов [5].

В пшеничной хлебопекарной муке преобладает крахмал. Он представлен двумя полимерами D-глюкозы. Амилоза построена преимущественно линейными цепями с α-1,4-гликозидными связями. Амилопектин имеет те же связи в линейных участках и точки ветвления α-1,6. В пшеничном крахмале амилопектин составляет большую часть массы гранулы, а амилоза — меньшую, обычно около четверти. Гранулы неоднородны по размеру. Крупные гранулы A-типа имеют дисковидную форму и диаметр примерно от 10 до 35 мкм. Мелкие гранулы B-типа ближе к сферическим и имеют диаметр примерно от 1 до 10 мкм. Они различаются кристалличностью и распределением длин цепей амилопектина, поэтому по-разному набухают и клейстеризуются [6].

Белки пшеницы делят на альбумины, глобулины, глиадины и глютенины. Технологически решающую группу образуют глиадины и глютенины, которые после гидратации и механической обработки дают клейковину. Глиадины — относительно компактные белки, они сообщают тесту растяжимость и вязкость. Глютенины собраны в крупные полимеры, соединенные межмолекулярными дисульфидными связями, и отвечают за упругость. Массовая доля сырой клейковины служит производственным показателем силы муки и для хлебопекарной пшеничной муки обычно лежит в широком интервале, достаточном для образования сплошного каркаса. Содержание белка и качество клейковины не тождественны: при одном и том же количестве белка разная плотность дисульфидной сшивки дает разную устойчивость теста к замесу и газоудержанию [1].

Ржаная мука содержит собственные сахара, активную α-амилазу уже в муке из непроросшего зерна и значительное количество пентозанов, прежде всего арабиноксиланов. Белки ржи не формируют клейковину пшеничного типа. Воду в ржаном тесте сильно связывают набухающие некрахмальные полисахариды, а устойчивость мякиша позже обеспечивает клейстеризованный крахмал. Поэтому избыточный гидролиз крахмала для ржаного хлеба опаснее, чем недостаток сахаров для брожения [1].

1.2. Вода, липиды и низкомолекулярные вещества

Вода в пищевых системах существует в нескольких состояниях: прочно связанная с полярными группами, адсорбционно удерживаемая, осмотически поглощенная набухшими биополимерами и относительно свободная [4]. В тесте доля истинно свободной воды невелика. Большую ее часть забирают крахмал, белки и пентозаны. Именно доступная вода определяет скорость растворения сахаров и соли, активность ферментов, набухание гранул и последующее испарение при выпечке.

Липиды муки делятся на свободные и связанные. Полярные липиды располагаются на границах газовых пузырьков и снижают поверхностное натяжение, помогая пене оставаться устойчивой. Неполярные липиды и жир, добавленный по рецептуре, пластифицируют тесто. После начала клейстеризации высвобожденная амилоза образует с липидами комплексы включения: углеводородный радикал входит в гидрофобную полость спирали амилозы, возникают кристаллиты V-типа. Такие комплексы уменьшают способность крахмала к повторной кристаллизации и тем самым замедляют уплотнение мякиша [6].

Сахара муки, мальтоза, образующаяся при гидролизе крахмала, и сахара рецептуры выполняют две химические функции. До выпечки они служат субстратом дрожжей. В корке их карбонильные группы вступают в реакцию с аминогруппами. Соль хлорида натрия изменяет ионную силу, экранирует заряды белков, укрепляет клейковину, снижает активность воды и замедляет брожение. Аскорбиновая кислота, ферментные препараты, эмульгаторы и органические кислоты вносят уже целенаправленные изменения в окислительно-восстановительное состояние белков, скорость гидролиза и прочность межфазных пленок [2].

1.3. Коллоидная модель теста

Пшеничное тесто можно описать как гидратированную пену. Непрерывная фаза — набухшая клейковина с включенными в нее крахмальными гранулами, пентозанами и растворенными веществами. Дисперсная газовая фаза состоит из пузырьков воздуха, захваченных при замесе, и диоксида углерода, выделенного дрожжами. Гранулы крахмала при температуре замеса набухают ограниченно, в основном за счет поверхностной сольватации, и работают как твердый наполнитель, повышающий вязкость [1].

Набухание компонентов сильно зависит от температуры. По данным А. Г. Кульмана, максимум набухания клейковины приходится на интервал около 20–30 °C. Выше этой области способность клейковины поглощать воду снижается, а при 70 °C и выше остается практически постоянной, что связывают с тепловой денатурацией. Крахмал до 50 °C набухает умеренно. Между 50 и 60 °C скорость и величина его набухания резко возрастают: поверхностная сольватация сменяется осмотическим набуханием и началом клейстеризации. Следовательно, при обычной температуре теста вода распределяется преимущественно в пользу белка, а при прогреве главный потребитель воды — крахмал [1].

Сильная клейковина набухает медленнее и достигает большего конечного эффекта. Слабая набухает быстро, но удерживает структуру хуже. Протеолиз ускоряет разжижение. Поэтому коллоидные и ферментативные процессы нельзя разделять: ферменты меняют молекулярную массу белков и углеводов, а коллоидное состояние определяет, насколько эти молекулы доступны воде и друг другу [5].

Повреждение крахмала при помоле добавляет к этой картине еще один фактор. Механически разрушенные гранулы поглощают холодную воду и легче атакуются амилазами. Умеренное повреждение полезно для газообразования. Избыточное повышает водопоглощение, делает тесто липким и снижает устойчивость газовых ячеек [6].

Глава 2. Физико-химические процессы замеса, брожения и расстойки

2.1. Гидратация и сборка клейковинной сети

При соприкосновении муки с водой полярные группы белков и углеводов сольватируются. Низкомолекулярные вещества переходят в раствор, создавая осмотический градиент. Глиадины и глютенины поглощают воду, их цепи приобретают подвижность и под действием сдвиговых напряжений замеса ориентируются. Между макромолекулами возникают водородные связи, гидрофобные контакты и электростатические взаимодействия. Прочность сети закрепляют дисульфидные мостики цистеина.

Дисульфидный обмен можно записать схематически как взаимодействие белкового дисульфида с тиольной группой:

белок–S–S–белок + белок–SH ⇌ белок–S–S–белок + белок–SH.

Пока в системе много низкомолекулярных тиолов, равновесие смещается в сторону разрыва межмолекулярных мостиков. Главный такой тиол — глутатион муки и дрожжей. Он восстанавливает дисульфиды клейковины и ослабляет тесто. Кислород, захваченный при замесе, и окислительные улучшители переводят тиолы в дисульфиды и тем самым сохраняют полимерную структуру глютенина [4].

Аскорбиновая кислота действует не как непосредственный окислитель клейковины, а через промежуточное звено. В присутствии кислорода она превращается в дегидроаскорбиновую кислоту. Та окисляет глутатион до его дисульфида. Связанный глутатион уже не расщепляет межмолекулярные связи глютенина, и тесто укрепляется. Восстановители, напротив, увеличивают число тиольных групп и повышают растяжимость. Так химия одной функциональной группы цистеина позволяет направленно менять реологию [4].

Соль усиливает гидрофобные взаимодействия и уменьшает электростатическое отталкивание одноименно заряженных участков белка. Клейковина становится более упругой, водопоглощение теста несколько снижается, брожение замедляется. Сахар конкурирует с биополимерами за воду и при высокой дозировке задерживает набухание. Жир и эмульгаторы смазывают структуру и стабилизируют пленки вокруг пузырьков. Моно- и диацилглицерины особенно склонны к комплексообразованию с амилозой. Дата-эфиры и сходные анионные эмульгаторы дополнительно взаимодействуют с белками и повышают устойчивость пены [6].

Интенсивный замес выполняет и физическую работу. Он равномерно распределяет сырье, ускоряет гидратацию и дробит крупные пузырьки на множество мелких. Равномерная мелкая пористость заготовки является зародышем пористости хлеба. Недостаточный замес оставляет негидратированные участки муки и крупные пустоты. Чрезмерный замес механически разрушает уже собранную сеть, и газоудерживающая способность падает [2].

2.2. Ферментативный гидролиз

Биохимические реакции бродящего теста подчинены ферментам муки, дрожжей и молочнокислых бактерий. Крахмал гидролизуется амилазами. α-Амилаза эндогенно расщепляет внутренние α-1,4-связи и дает декстрины. β-Амилаза отщепляет мальтозу с невосстанавливающих концов. Мальтаза дрожжей гидролизует мальтозу до глюкозы. Суммарно накопление мальтозы в пшеничном тесте может достигать примерно 5–6 % к массе муки. Часть сахаров сбраживается, часть остается к началу выпечки и участвует в потемнении корки [1].

Протеолиз идет ограниченно. Умеренное накопление пептидов и аминокислот повышает пластичность теста и создает субстраты для реакции Майяра. Глубокий протеолиз, особенно в муке со слабой клейковиной, разрушает каркас, тесто расплывается, пористость становится неравномерной. Поэтому сила муки и продолжительность брожения подбираются совместно [5].

В ржаном тесте углеводно-амилазный комплекс решает другую задачу. Собственных сахаров и активности ферментов обычно достаточно для газообразования. Опасность состоит в том, что α-амилаза сохраняется в активном состоянии до высоких температур, а ржаной крахмал клейстеризуется раньше пшеничного. Если зазор между началом клейстеризации и инактивацией фермента велик, клейстеризованный крахмал успевает сильно декстринизироваться. Мякиш тогда связывает воду хуже и получается липким. Повышенная кислотность ржаного теста сдвигает условия в сторону подавления этого гидролиза [1].

2.3. Брожение, кислотность и газообразование

Спиртовое брожение глюкозы дрожжами Saccharomyces cerevisiae в анаэробных условиях выражается уравнением

C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2.

Диоксид углерода диффундирует в уже имеющиеся пузырьки и увеличивает объем теста. Этанол влияет на реологию белковой фазы и позже частично уходит с паром, частично остается в мякише и участвует в аромате. Процесс экзотермичен, поэтому температура теста при брожении повышается примерно на 1–2 °C. Физически это сопровождается ростом газонаполнения и изменением вязкоупругих свойств [1].

Гомоферментативное молочнокислое брожение дает две молекулы молочной кислоты:

C6H12O6 → 2 CH3CH(OH)COOH.

Гетероферментативный путь через фосфокетолазу образует молочную кислоту, диоксид углерода и этанол, а при наличии акцепторов водорода вместо этанола накапливается уксусная кислота. Молочная кислота снижает pH и влияет на набухание белков. Уксусная кислота летуча, сильнее участвует в запахе и подавляет развитие споровых бактерий, вызывающих порчу мякиша. В пшеничном тесте кислотность умеренная. В ржаном она в несколько раз выше и является обязательным условием нормальной клейстеризации и ферментативной стабильности [1].

Скорость газообразования зависит от количества сбраживаемых сахаров, активности дрожжей, температуры и осмотического давления. При недостатке собственных сахаров или низкой амилазной активности подъем замедляется. Избыток соли или сахара повышает осмотическое давление и тоже тормозит дрожжи. Оптимум спиртового брожения в тесте лежит вблизи 30–35 °C. Ниже процесса идет медленно. Выше начинается тепловое угнетение клеток, которое полностью проявится уже в печи [2].

2.4. Расстойка как продолжение коллоидных и биохимических процессов

После деления и формования часть газовой фазы потеряна, а клейковинные пленки напряжены. Расстойка дает время для релаксации напряжений, дополнительного газообразования и восстановления сплошности пленок. Температура и относительная влажность воздуха в расстойном шкафу поддерживают поверхность заготовки эластичной. Подсыхание поверхности создает жесткую пленку, которая рвется в печи и ограничивает объем. Избыточная расстойка перерастягивает пленки, и заготовка оседает до того, как белки и крахмал успеют закрепить форму [2].

К концу расстойки в тесте уже сформированы химические предпосылки выпечки: гидратированная белковая сеть, частично гидролизованный крахмал, запас мальтозы и аминосоединений, растворенный диоксид углерода, этанол, органические кислоты и мелкая газовая фаза. Дальнейшее изменение этих веществ определяет тепло [3].

Глава 3. Тепломассообмен и превращения биополимеров при выпечке

3.1. Прогрев, испарение и внутренний перенос влаги

В пекарной камере заготовка получает тепло излучением от поверхностей, конвекцией от паровоздушной смеси и теплопроводностью от пода. Внутри пористого тела действует еще один канал. Вода испаряется в более горячем слое и конденсируется в более холодном, перенося скрытую теплоту. Такой испарительно-конденсационный механизм ускоряет прогрев центра по сравнению с одной только теплопроводностью влажного материала [3].

В первые минуты поверхность холоднее точки росы среды, и на ней конденсируется пар. Масса заготовки кратковременно растет, поверхностный слой становится более влажным и пластичным, крахмал на поверхности начинает клейстеризоваться. Конденсация сглаживает корку и способствует глянцу. Затем поверхность прогревается до температуры кипения, конденсация сменяется испарением, и формируется корка. Часть влаги уходит в камеру, часть пара перемещается внутрь и конденсируется в еще непрогретых слоях. Поэтому влажность горячего мякиша оказывается примерно на 1,5–2,5 % выше влажности теста. Корка обезвоживается и может прогреться до 160–180 °C. Центр мякиша при влажности около 45–50 % не нагревается выше 95–97 °C: поступающее тепло расходуется на испарение и фазовые переходы, а не на дальнейший рост температуры [1].

Упек представляет собой потерю массы за счет испарения и уноса летучих продуктов. Он возрастает с удельной поверхностью изделия, длительностью выпечки и жесткостью режима. У крупных формовых изделий удельные потери меньше, чем у мелкоштучных. Пароувлажнение в начале выпечки задерживает образование сухой корки и тем самым влияет и на объем, и на упек [2].

3.2. Жизнедеятельность микрофлоры и расширение газов

Пока внутренние слои не прогреты, брожение продолжается и даже ускоряется. Спиртовое брожение достигает максимума около 35 °C, затем ослабевает и прекращается около 50 °C вследствие гибели дрожжевых клеток. Жизнедеятельность кислотообразующих бактерий останавливается около 60 °C. За это короткое время дополнительно накапливаются спирт, диоксид углерода и кислоты. Одновременно расширяются уже имеющиеся газы и пар. Совместный эффект дает прирост объема в печи. После тепловой денатурации белков и клейстеризации крахмала стенки пор теряют способность растягиваться, и объем фиксируется. Если закрепление наступает слишком рано, изделие получается малого объема. Если пленки рвутся до закрепления, газы выходят и заготовка оседает [1].

3.3. Денатурация белков

При 50–70 °C белки клейковины денатурируют и коагулируют. Гидратные оболочки разрушаются, гидрофобные участки экспонируются, цепи сближаются и образуют плотный каркас. Белок выделяет воду, поглощенную при замесе, теряет растяжимость и эластичность. Именно этот каркас удерживает форму, которую заготовка приобрела при расширении газов. Выделенная белками вода не остается свободной: ее поглощают набухающие крахмальные гранулы [1].

Денатурация необратима. Поэтому повторный нагрев черствого хлеба может временно изменить состояние крахмала, но не восстанавливает исходную клейковину теста. Глубина предшествующего протеолиза сказывается на прочности каркаса. Слишком короткие белковые цепи дают слабую стенку поры. Слишком жесткая, слабо гидратированная сеть ограничивает расширение [5].

3.4. Клейстеризация крахмала

Клейстеризация не равна простому набуханию. При нагреве в присутствии воды сначала плавятся наименее устойчивые кристаллиты, двойные спирали амилопектина разворачиваются, гранула теряет двойное лучепреломление и поглощает воду. Затем амилоза и часть низкомолекулярного амилопектина переходят в межгранульное пространство. Процесс эндотермичен: тепло затрачивается на разрушение молекулярного порядка. Для полной клейстеризации в избытке воды требуется примерно вдвое-втрое больше воды, чем масса сухого крахмала. В тесте такого избытка нет, поэтому гранулы набухают и деформируются, но значительная часть их формы сохраняется. Классическая оценка чистого эндотермического эффекта полной клейстеризации составляет около 154 Дж на 1 г сухого крахмала. Переносить эту величину на хлеб нельзя именно из-за дефицита воды [7].

В пшеничном тесте заметная клейстеризация начинается около 55–60 °C и завершается лишь тогда, когда центр мякиша достигает 95–97 °C. Белковые прослойки вокруг гранул и конкуренция белков за воду повышают температуру начала перехода и растягивают его во времени. Позднее закрепление полезно: заготовка успевает расшириться. В корке воды мало, поэтому клейстеризуется только часть менее устойчивых кристаллитов, по имеющимся наблюдениям порядка 60 % крахмала корки. Этим корка отличается от полностью закрепленного мякиша и сохраняет иную текстуру [6].

Гидролиз крахмала при выпечке продолжается, пока активны амилазы. Клейстеризованный крахмал атакуется ими легче нативного. Температура инактивации зависит от кислотности, влажности и скорости нагрева. В обзорах по пшеничному крахмалу приводят типичные границы около 60–70 °C для β-амилазы и 75–85 °C для α-амилазы. В пшеничном тесте невысокой кислотности β-амилаза может сохранять активность примерно до 82–84 °C, а α-амилаза — следы активности почти до 97–98 °C. Практический вывод состоит в том, что образование декстринов и мальтозы не заканчивается в момент начала клейстеризации [1, 6].

Таблица 1 — Температурные границы основных процессов при выпечке пшеничного хлеба

Источник: [1].

В ржаном хлебе та же последовательность смещена. Клейстеризация начинается раньше, амилолиз интенсивнее, водорастворимых декстринов и сахаров в мякише больше. Кислотность здесь является технологическим регулятором коллоидного состояния, а не только вкусовым признаком [1].

3.5. Закрепление пористой структуры

Мякиш возникает там, где коагулированный белок и частично клейстеризованный крахмал образуют совместный гель. Свободной воды, которая делала тесто липким, почти не остается: она связана набухшим крахмалом. Стенка поры представляет собой белковый каркас, армированный деформированными гранулами. В пшеничном хлебе вклад белка в упругость выше. В ржаном непрерывная вязкая фаза в большей степени крахмально-пентозановая. Липидные комплексы амилозы, возникшие около 70–80 °C, встраиваются в эту стенку и меняют ее способность удерживать воду [6].

Готовность изделия химически соответствует завершению прогрева центра до температуры окончания клейстеризации, инактивации основной части ферментов и образованию сухой окрашенной корки. Недопеченный мякиш сохраняет слишком много свободной влаги и незакрепленных крахмальных зон, поэтому кажется влажным и липким [2].

Глава 4. Реакция Майяра, карамелизация и химия корки

4.1. Условия неферментативного потемнения

Цвет, запах и часть вкуса хлеба формируются главным образом в корке. Мякиш при 95–97 °C и высокой влажности почти не дает меланоидинов. Корка быстро теряет воду, ее температура поднимается выше 100 °C, а активность воды проходит область, благоприятную для взаимодействия сахаров с аминами. Выше примерно 115 °C восстанавливающие сахара, включая мальтозу гидролиза крахмала, становятся активными субстратами потемнения [6].

Реакция Майяра — это каскад превращений между карбонильной группой восстанавливающего сахара и аминогруппой аминокислоты, пептида или остатка лизина и аргинина белка. На ранней стадии возникает N-гликозиламин, который перегруппировывается по Амадори в более устойчивое кетозаминовое соединение. Далее кетозамины разрушаются до дезоксигексозулоз и других дикарбонильных продуктов. Дикарбонилы вступают в деградацию по Штрекеру: аминокислота декарбоксилируется и дезаминируется, образуя альдегид на один атом углерода короче исходной кислоты. Эти альдегиды обладают сильным запахом. На конечной стадии поликонденсация дает коричневые высокомолекулярные меланоидины. В хлебе они включают фрагменты белков клейковины и углеводов, сшитые продуктами реакции [4].

Карамелизация идет без участия аминогрупп. Сахара дегидратируются, расщепляются и полимеризуются, образуя желто-коричневые продукты и кислые летучие соединения. Она требует более жесткого нагрева и в корке сопровождает реакцию Майяра, а не заменяет ее. Для пшеничной корки основной вклад в цвет вносят меланоидины. В ржаном хлебе на окраску дополнительно влияют продукты ферментативного окисления, формировавшиеся еще в сырье и тесте [1].

4.2. Аромат и пищевая ценность

Сенсорно значимые вещества корки принадлежат к альдегидам, кетонам, фураннам, пиразинам и другим гетероциклам. Их набор зависит от аминокислотного состава, спектра сахаров, pH и режима нагрева. Деградация по Штрекеру переводит, например, аминокислоты с разветвленной цепью в соответствующие альдегиды. Свободные аминокислоты и пептиды, накопленные при протеолизе, поэтому нужны не только как пластификаторы теста, но и как предшественники аромата. Глубина гидролиза белков и крахмала прямо влияет на цвет, вкус и запах пшеничного хлеба [1].

Одновременно реакция снижает биологическую ценность. Наиболее уязвим лизин, лимитирующая аминокислота злаковых белков: его ε-аминогруппа легко связывается сахарами и выводится из числа доступных. Жесткий нагрев увеличивает эту потерю в корке, тогда как мякиш затрагивается слабее. Оценка пищевой ценности хлеба должна различать корку и мякиш [4].

4.3. Нежелательные продукты и управление реакцией

Среди маркеров тепловой нагрузки выделяют фурозин, 5-гидроксиметилфурфурол, акриламид и ряд продуктов глубокой модификации лизина. Акриламид в зерновых изделиях образуется преимущественно из аспарагина в присутствии карбонильных соединений. 5-Гидроксиметилфурфурол возникает при дегидратации гексоз и по путям реакции Майяра. Обзор данных по хлебу показывает, что наибольшие содержания акриламида связаны с ростом температуры при учете времени выдержки, содержание 5-гидроксиметилфурфурола нарастает главным образом с температурой, а фурозин при интенсивном и длительном нагреве расходуется как предшественник более глубоких продуктов. Режим до 220 °C при продолжительности до 60 мин склонен давать меньше акриламида и гидроксиметилфурфурола, чем более жесткое тепловое воздействие [8].

На выход этих веществ влияют масса заготовки, тип и выход муки, доля оболочечных частиц, состав сахаров, вид дрожжей или закваски, pH и состав атмосферы печи. Смешанные помолы злаков и семян способны снижать отдельные продукты. Сочетание определенной закваски с определенным типом муки может, напротив, усиливать их накопление. Пароувлажнение, скорость прогрева поверхности и конечная влажность корки меняют время, в течение которого поверхность находится в наиболее реакционноспособном состоянии [8].

Таблица 2 — Факторы образования продуктов реакции Майяра в хлебе

Источник: [8].

Практический режим выпечки поэтому является химическим компромиссом. Он должен обеспечить клейстеризацию мякиша, приятный цвет и аромат корки и одновременно ограничить глубокие продукты. Снижение температуры при сохранении готовности центра, регулирование влажности в начале выпечки и учет сахарообразующей способности муки дают такой компромисс без изменения принципиальной схемы реакций [2].

Глава 5. Остывание, черствение и изменения при хранении

5.1. Закрепление геля при охлаждении

После выхода из печи перенос влаги и тепла меняет направление. Корка охлаждается, пар внутри пор конденсируется, градиент влажности между мякишем и коркой постепенно выравнивается. Усыхание при остывании и последующем хранении добавляет потерю массы к упеку. Одновременно крахмальный гель проходит из расплавленного состояния в упругое. Амилоза, перешедшая в межгранульное пространство, быстро ассоциирует и образует кристаллические участки. Этот процесс занимает часы и отвечает за первоначальное закрепление мягкого мякиша. Амилопектин рекристаллизуется медленнее, в течение десятков часов и суток, восстанавливая дальний порядок внутри набухших гранул [6].

Свежий мякиш воспринимается мягким, потому что вода пластифицирует аморфные области, а кристаллическая фаза еще не доминирует. По мере ретроградации доля упорядоченных участков растет, подвижность цепей падает, гель отдает часть воды в капиллярное пространство. Мякиш становится тверже, крошливее и суше на ощупь даже при небольшом изменении общей влажности [2].

5.2. Молекулярная природа черствения

Черствение есть главным образом физико-химическая реорганизация крахмала, а не простое высыхание. Влага мигрирует от мякиша к корке, и корка теряет хрупкость, но основной рост твердости связан с ретроградацией амилопектина. Скорость процесса максимальна при температурах холодильника, где молекулы еще достаточно подвижны для ассоциации и уже недостаточно подвижны, чтобы оставаться в аморфном состоянии. Замораживание резко снижает подвижность и практически останавливает ретроградацию. Хранение при повышенной температуре замедляет ее по сравнению с холодом, хотя усиливает микробиологический риск и усыхание [6].

Амилозно-липидные комплексы уменьшают количество свободной амилозы, способной к быстрой кристаллизации, и затрудняют перестройку амилопектина. Поэтому жир, эмульгаторы и собственные липиды муки служат химическими регуляторами черствения. Ферменты, частично укорачивающие наружные цепи амилопектина, тоже снижают способность этих цепей собираться в кристаллиты. Повторный прогрев черствого хлеба плавит часть кристаллитов амилопектина, и мякиш временно размягчается. Кристаллы амилозы более устойчивы, поэтому освежение не возвращает изделие в исходное состояние, а при новом охлаждении ретроградация возобновляется [6].

На скорость черствения влияют влажность мякиша, удельная поверхность, температура хранения, рецептура и степень ферментативного гидролиза. Изделия с более высокой долей связанной воды и с комплексообразователями дольше сохраняют мягкость. Сильное декстринирование, напротив, дает заминающийся мякиш уже в свежем хлебе и не заменяет управляемую ретроградацию [2].

5.3. Химические изменения пищевой ценности и порча

При хранении продолжаются медленные реакции, начатые выпечкой. Летучие альдегиды и спирты уходят или окисляются, аромат слабеет. Корка сорбирует влагу мякиша и изменяет текстуру. Если влажность поверхности и упаковки благоприятны, возможна плесневая порча. Высокая влажность мякиша и недостаточная кислотность создают условия для развития споровых бактерий, переживших выпечку в центре. Органические кислоты закваски и достаточная конечная температура центра снижают эту опасность. Таким образом, микробиологическая устойчивость тоже опирается на химические параметры: pH, влажность, активность воды и степень прогрева [2].

Пищевая ценность готового изделия складывается из усвояемого клейстеризованного крахмала, белков с частично потерянным лизином в корке, минеральных веществ, витаминов группы B, сохранившихся лучше в мякише, чем в корке, и вкусовых продуктов брожения и реакции Майяра. Жесткий режим увеличивает привлекательность цвета и одновременно потери лизина и накопление нежелательных продуктов. Мягкий режим сохраняет нутриенты, но может оставить корку бледной и аромат неразвитым. Выбор режима есть химическая оптимизация, а не только теплотехническая задача [4].

Заключение

Производство хлебобулочных изделий представляет собой согласованную последовательность физико-химических превращений биополимеров, воды и низкомолекулярных веществ.

При замесе вода распределяется между клейковиной, крахмалом и пентозанами, а механическое воздействие и дисульфидный обмен собирают вязкоупругую сеть. Окислители защищают эту сеть от восстановления глутатионом, соль и эмульгаторы изменяют ионные и межфазные взаимодействия. При брожении амилазы готовят мальтозу, дрожжи превращают сахара в этанол и диоксид углерода, молочнокислые бактерии формируют кислотность. Газ создает пористость, а умеренный протеолиз готовит и реологию теста, и предшественники аромата.

При выпечке тепломассообмен поднимает корку до 160–180 °C и останавливает центр мякиша около 95–97 °C. Дрожжи гибнут около 50 °C, кислотообразующие бактерии — около 60 °C. Белки в интервале 60–70 °C отдают воду и закрепляют каркас. Крахмал клейстеризуется неполностью из-за недостатка воды и связывает влагу, делая мякиш сухим на ощупь. В корке низкая влажность и высокая температура запускают реакцию Майяра и карамелизацию. Они создают цвет и аромат и одновременно расходуют лизин, а при жестком режиме увеличивают выход акриламида и гидроксиметилфурфурола.

При хранении быстрая ассоциация амилозы и медленная ретроградация амилопектина вызывают черствение. Липидные комплексы, ферменты, влажность и температура хранения меняют скорость этого процесса. Различие пшеничного и ржаного хлеба имеет ту же химическую основу: в первом структуру держит клейковина, во втором — пентозаны, кислотность и особый режим клейстеризации крахмала.

Следовательно, управление качеством хлебобулочных изделий есть управление скоростями гидратации, окисления белков, гидролиза, газообразования, клейстеризации и неферментативного потемнения. Температурные границы этих реакций и ограниченное количество воды в тесте задают окно, внутри которого технология получает нужный объем, мякиш, корку и сохраняемость.

Список источников

1. Ауэрман Л.Я. Технология хлебопекарного производства. — 9-е изд., перераб. и доп. / под общ. ред. Л.И. Пучковой. — СПб.: Профессия, 2005.
2. Пащенко Л.П., Жаркова И.М. Технология хлебобулочных изделий. — М.: КолосС, 2008.
3. Mondal A., Datta A.K. Bread baking – A review // Journal of Food Engineering. — 2008. — Т. 86, № 4. — С. 465–474.
4. Нечаев А.П., Кочеткова А.А., Колпакова В.В. и др. Пищевая химия / под ред. А.П. Нечаева. — 7-е изд., испр. и доп. — СПб.: ГИОРД, 2024.
5. Казаков Е.Д., Карпиленко Г.П. Биохимия зерна и хлебопродуктов. — СПб.: ГИОРД, 2005.
6. Van Rooyen J., Simsek S., Oyeyinka S.A., Manley M. Wheat starch structure–function relationship in breadmaking: A review // Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. — 2023. — Т. 22, № 3. URL: https://doi.org/10.1111/1541-4337.13147 (дата обращения: 24.10.2026).
7. Коллоидные процессы в тесте при выпечке [Электронный ресурс]. URL: https://astrahleb.ru/kolloidnye-processy-v-teste-pri-vypechke/ (дата обращения: 24.10.2026).
8. Conceição L.S., Almeida B.S., Souza S.F. и др. Critical conditions for the formation of Maillard Reaction Products (MRP) in bread: An integrative review // Journal of Cereal Science. — 2024. — Т. 118. — С. 103985.