Структурно-механические свойства бродящего теста

ГЛАВА 4

СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БРОДЯЩЕГО  ТЕСТА

ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БРОДЯЩЕГО  ТЕСТА

  Небродящее  мучное тесто следует считать  материалом, призванным оценивать технологические свойства зерна и муки. Бродящее тесто для указанной цели менее пригодно, так как содержит дрожжи, закваски, газообразные вещества, преимущественно углекислоту, органические кислоты, образующиеся при брожении. Оно является структурным аналогом и предшественником структуры хлебного мякиша, незафиксированной термической обработкой. Количество образующейся в единице объема теста углекислоты зависит от содержания и распределения в нем дрожжевых клеток, энергии их брожения, определяемой массой дрожжей, условиями их жизнедеятельности. Величина пузырьков углекислоты и их количество в объеме определяются газопроницаемостью теста (по С0₂), зависящей от его структурно-механических свойств.

Газообразные  вещества, как известно, существенно отличаются от твердых тел и жидкостей меньшей плотностью, большей сжимаемостью, а также зависимостью коэффициента их объемного расширения от температуры. Их наличие в структуре теста увеличивает объем, понижает его плотность, усложняет структуру. Упруго-пластичные деформации бродящего теста протекают в стенках пор его структурированной массы. Для того чтобы рассмотреть влияние газообразной фазы на механические свойства бродящего теста, рассмотрим схему его структуры, приведенной на рис. 21. В ней палочками с круглым концом схематически показаны ПАВ, белки, липоиды и др. Их закругленная часть представляет полярную, а прямой «хвост» — неполярную группу атомов в молекуле.

  Наиболее  вероятными центрами образования первичных  пузырьков С0₂ в бродящем тесте являются точки сцепления неполярных групп молекул ПАВ, связанных наиболее слабыми силами дисперсионных взаимодействий. Образующиеся в тесте при его брожении газообразные продукты (СО₂ и др.) растворяются в свободной воде, адсорбируются на поверхностях молекул гидрофильных полимеров. Их избыток образует пузырьки газа в бродящем тесте. Стенки пузырьков образуют поверхностно- активные вещества. Увеличение количества газообразных продуктов вызывает соответствующее увеличение числа и объема газовых пузырьков, уменьшение толщины их стенок, а также прорыв стенок, диффузию и утечку газа с поверхности теста.

  Этот  сложный процесс образования  структуры бродящего теста, естественно, сопровождается увеличением объема его массы и деформациями сдвига. Накопление множества пузырьков газообразных продуктов приводит к образованию пенообразной структуры бродящего теста, имеющей двойные стенки, образованные поверхностно-активными веществами. Они заполнены массой гидратированных гидрофильных веществ теста, связанных с полярными группами ПАВ стенок пузырьков вторичными химическими связями. Тесто обладает значительной вязкостью и упруго-эластичными свойствами, обеспечивающими его пенообразной структуре достаточную прочность и долговечность, определенную способность течения и удерживания газообразных веществ (воздуха, пара, углекислоты).

  Упруго-пластичные деформации сдвига такой структуры в результате перманентного увеличения объема газовых пузырьков и теста приводят к уменьшению толщины стенок, их разрыву и слиянию (коалесценции) отдельных пузьцрьков с уменьшением общего объема.

Развитие  упруго-пластичных деформаций сдвига в массе начинающего быстро бродить теста, понижающего свою плотность, происходит при соответствующих пониженных напряжениях, поэтому начальные модули упругости-эластичности сдвига и вязкость такого теста должна быть не выше, чем у небродящего теста. Однако в процессе его брожения и увеличения объема деформации сферических стенок его газовых пор должны сопровождаться ориентацией белков и других полимеров в направлении сдвига и течения, образованием дополнительных межмолекулярных связей между ними и увеличением вязкости теста. Понижение плотности бродящего теста при брожении позволяет белкам полнее реализовать эластичные свойства — понизить модуль упругости-эластичности сдвига. При увеличенной вязкости, сниженном модуле бродящее тесто должно иметь значительно большее отношение этих характеристик, иметь более твердообразную систему, чем небродящее.

  Благодаря перманентному образованию углекислоты  и увеличению таким путем объема бродящее тесто в отличие от не- бродящего является двояко напряженной системой. Силы гравитации его массы при брожении уступают, равны или больше энергии химических реакций образования С0₂, создающей силы, развивающие и движущие газовые пузырьки вверх по закону Стокса (движения сферических тел в вязкой среде). Количество и размеры пузырьков газа в тесте определяются энергией и скоростью брожения дрожжей, структурно-механическими свойствами теста, его газопроницаемостью.

  Величина  образующегося при брожении пузырька углекислого газа в каждый данный момент будет зависеть от равновесия его растягивающих сил

                                    Р =πr p                                            (4.1)                                                   

и сжимающих

                                                              P =2πrσ                                              (4.2)

                  где   π, r, р, σ — соответственно отношение окружности к диаметру   (3, 14), радиус пузырька, избыточное давление и поверхностное натяжение.

  Из  условий равенства уравнений (4.1) и (4.2) следует, что                                                                          

                                                              P=2σ/r                                                (4.3)

  Уравнение (4.3) показывает, что в начальный  момент образования газового пузырька, когда его размеры, определяемые радиусом, весьма малы, величина избыточного давления должна быть значительна. С увеличением радиуса пузырьков оно снижается. Соседство пузырьков газа различного радиуса должно сопровождаться диффузией СО₂ через стенки в направлении от большего к меньшему давлению и выравниванием его. При наличии определенного избыточного давления и среднего размера газовых пузырьков нетрудно подсчитать, зная вязкость теста, скорость их подъема по упомянутому закону Стокса.

  Согласно  этому закону сила, поднимающая пузырьки газа,

                                                        P =4/3πr g(ρ -ρ )                                  (4.4)                            

преодолевает  силу их трения

                                  P =6πrηυ                                              (4.5)                              

где g—константа гравитации;

       ρ и ρ — плотности газа и теста;

       η—эффективная структурная вязкость  теста; 

       υ— скорость вертикального движения пузырьков газа в    тесте                                         

возникающую в массе теста при движении в нем сферического тела (пузырька газа).

  Из  равенства уравнения (4.4) и (4.5) легко  определяется величина скорости

                                              V=2gr (ρ -ρ )/9η                   (4 .6)                                                                                       

  Данное  уравнение имеет большое практическое значение, позволяя установить зависимость скорости увеличения объема бродящего теста от его плотности и вязкости, размера отдельных пор, определяемого также энергией брожения микроорганизмов. Подсчитанная по уравнению скорость увеличения объема пшеничного теста из муки I сорта плотностью 1,2 со средним радиусом пор 1 мм и вязкостью порядка 1 10⁴ Па с составляет около 10 мм/мин. Практические наблюдения показывают, что такое тесто имеет среднюю скорость подъема от 2 до 7 мм/мин. Наибольшая скорость наблюдается в первые часы брожения.

  При наличии в тесте соседних пор, имеющих различные размеры и давление газа, происходят разрыв их стенок и слияние пор (коалесценция); это явление также зависит от скорости брожения и механических свойств теста; по-видимому, большинство пор теста и хлебного мякиша являются незамкнутыми, открытыми. Вследствие явлений диффузии С0₂ через стенки пор и их разрыва избыточным давлением бродящее тесто теряет углекислоту своей поверхностью: принимая затрату сухих веществ (сахара) на брожение теста, равным в среднем 3% массы муки, при спиртовом брожении на 1 кг муки (или 1,5 кг хлеба) выделяется около 15 г, или примерно 7,5 л С0₂. Это количество при атмосферном давлении в несколько раз превышает объем газообразных продуктов в указанном объеме хлеба и характеризует их потери при брожении теста.

  В бродящем тесте образуются также  многие другие органические кислоты и спирты, способные изменять растворимость соединений зерна. Таким образом, все изложенное выше показывает, что структура бродящего теста является более сложной, чем у небродящего. Оно должно отличаться от последнего меньшими: плотностью, модулем упругости-эластичности, большей вязкостью и η/Е (большей способностью сохранения формы), перманентным увеличением объема и кислотности при брожении.

  Пекари  практически издавна характеризовали  хлебопекарные свойства бродящего  теста по его способности к  проявлению упруго-эластичных деформаций после снятия напряжений: «живое» (или упруго-эластичное) «движущееся» после деформации тесто всегда давало хлебные изделия хорошего объема, формы и структуры пористости мякиша в отличие от неподвижного (пластичного) теста, лишенного этих свойств.

  Структура бродящего теста, его механические свойства находятся во взаимной зависимости от сахарообразующей способности муки, а также газообразующей и газоудерживающей (газопроницаемости) способностей теста. Они зависят также от вида, возраста и бродильной способности микроорганизмов — генераторов брожения.

  Это подтверждается данными величин  газообразования и удерживания  теста из муки сортовых пшениц, приведенными в табл. 3.10. При равной в среднем  газообразующей способности муки пшениц первой и второй групп меньшая  абсолютная и относительная газоудерживающая способность теста (и объемный выход хлеба) первой объясняется его более высокими упруго- пластичными свойствами. Вместе с тем меньшая газоудерживающая способность теста (и объемный выход хлеба) из пшениц третьей группы в сравнении с этими характеристиками теста (и хлеба) из пшениц второй, а также первой групп отчасти могут быть отнесены за счет их меньшей газообразующей способности.

Их относительная (в % к газообразованию) газоудерживающая способность оказалась выше, чем у теста пшениц второй и первой групп, что может быть отнесено за счет наиболее высокого содержания клейковинных белков в пшеницах этой группы. Таким образом, при рассмотрении газоудерживающей способности теста и объемного выхода хлеба приходится учитывать не только механические характеристики теста, но и названные свойства муки. Представлялось целесообразным исследовать и сравнить структуру небродящего и бродящего теста. Последнее является фактическим материалом, из которого делают хлебные изделия из муки разных сортов, отличающиеся физическими показателями качества. Представляло интерес сравнить механические свойства небродящего и бродящего теста из муки разного сорта, а также провести примерное нормирование их у последнего.

  Структурно-механические свойства небродящего и бродящего теста, приготовленного из двух образцов товарной пшеничной муки I и II сортов, приведены в табл. 3.1 и 4.1. 

                                                          Таблица 4.1