3.4. Ферментативный гидролиз

Ферментативный гидролиз сахарозы и мальтозы имеет место в процессе брожения дрожжевого теста и в начальный период выпечки изделий из него, а также в производстве пива, вина и других продуктов. В процессе приготовления мучных кулинарных, кондитерских и булочных изделий из дрожжевого теста в него добавляется сахар (2.5…21%). Мальтоза образуется в процессе брожения теста в результате действия на крахмал амилолитических ферментов.

Находящиеся в тесте сахароза и мальтоза под действием ферментов дрожжей (сахарозы и мальтозы естественно) подвергаются гидролизу с образованием инвертного сахара. Следует отметить, что наиболее активной является сахароза, которая в течение нескольких минут после замеса может гидролизовать 7,5% сахара (от массы муки), но при этом тормозится инверсия мальтозы.

Накаливающиеся в процессе брожения тесто глюкоза и фруктоза ферментным комплексом дрожжей подвергаются глубокому расщеплению с образованием этилового спирта и углекислого газа (спиртовое брожение), а содержащиеся в дрожжах и муке молочнокислые бактерии вызывают молочнокислое брожение с образованием из глюкозы и фруктозы молочной кислоты, что сдвигает pH в сторону более кислой реакции среды. Этиловый спирт, углекислый газ и молочная кислота участвуют в формировании качества изделия и дрожжевого теста. Молочнокислое брожение играет большую роль при производстве молочнокислых продуктов (простокваши, кефира, кумыса), при изготовлении кваса, квашении капусты, огурцов.

Наряду с молочной могут образовываться и другие кислоты ( уксусная, янтарная, яблочная, лимонная и др.), присутствие которых является нежелательным, так как ухудшает качество готовой продукции из дрожжевого теста.

В процессе кулинарной обработке сахара могут также подвергаться глубоким изменениям, связанных с воздействием на них высоких температур (больше С – процесс карамелизации) и реакцией меланоидинообразования.

Изменение крахмала при гидротермической обработке

Важнейшим свойством нативного крахмала является способность набухать в воде при повышении температуры с образованием вязкого коллоидного раствора (клейстера), способного к последующему гелеобразованию при охлаждении.

При длительном нагревании крахмальной дисперсии и избыточном количестве воды происходит ряд процессов: потеря двойного лучепреломления, набухание зёрен крахмала, частичное растворение крахмала и разрушение крахмальных зёрен. От глубины протекающих процессов зависит реологические свойства крахмальных клейстеров и качество кулинарной продукции, в которых они образуются.

3.5. Изменение крахмала при гидротермической обработке

Набухание и клейстеризация. Взаимодействие полимеров крахмала с водой в значительной степени предопределяет структуру и консистенцию продукции общественного питания, содержащую крахмал (соусы, кисели, каши, мучные изделия и др.). Характер выраженности изменений структуры и физико-химических свойств крахмала зависит от количества воды в системе, температуры и продолжительности нагревания. Как было отмечено выше, нативный крахмал характеризуется низкой растворимостью в воде.

Вода легко проникает в помещённые в воду крахмальные зёрна. При гидратации (при комнатной температуре) крахмал может удерживать до 30% воды от сухой массы, но зёрна при этом набухают незначительно. Их обьём увеличивается примерно на 5%. Средний диаметр гидратированных серых зёрен кукурузного крахмала составляет 13,5 мкм, а после нагревания и термостатировании при С в течение 30 мин – 32,8 мкм, т.е увеличивается в 2,43 раза.

Термодинамические свойства воды как растворителя усиливаются с повышением температуры, которое усиливают колебание крахмальных молекул, приводящее к ослаблению мест связывания для взаимодействия с молекулами воды через водородные связи. Это вызывает возрастание степени разрушения водородных связей, обеспечивающих внутреннюю структуру молекул крахмала. Поэтому нагревание крахмала в воде способствует набуханию и растворению крахмала (главным образом амилозы), что приводит к значительному увеличению вязкости.

Набухание крахмала обусловлено пластификацией аморфных областей и плавлением крахмальных кристаллитов, образующих систему поперечных связей. Температура плавления амилопектиновых кристаллитов и амилозо-липидных комплексов снижается с увеличением содержания свободной воды. Заметное набухание крахмала начинается при температуре С, с некоторыми колебаниями в ту или другую сторону у разных видов крахмала. Однако в начальной фазе набухания высвобождение растворимых веществ относительно невелико. Оно увеличивается с повышением температуры. Нагревание до С при избыточном количестве воды приводит к полной утрате упорядоченности, что подтверждают результаты измерения двойного лучепреломления.

Во время набухания крахмала в воде амилозная и амилопектиновая фазы разделяются. Амилоза, как более подвижная по сравнению с амилопектином, легко диффундирует из зёрен.

При повышении температуры зёрна крахмала деформируются и растворимый крахмал (главным образом амилаза) оказывается в растворе. Увеличение вязкости объясняется поступлением в воду растворённой амилозы и поглощением воды оставшимися после её выделения зурнами крахмала.

Изменения, происходящие в крахмале после исчезновения двойного лучепреломления, называется клейстеризацией, а температура, при которой это явление происходит, называется температурой клейстеризации. В процессе клейстеризации происходит разрушение нативной структуры крахмальных зёрен, вызываемое набуханием. Отмечается, что крупные зёрна крахмала клейстеризуются при более низкой температуре, чем мелкие. Поскольку этот процесс протекает не одновременно у всех зёрен крахмала, фиксируют начальную и конечную температуру клейстеризации.

Изменение крахмальных зёрен (на примере 1%-ной суспензии картофельного крахмала). При набухании вода проникает в макромолекулы, разрушает водородные связи, что приводит к увеличению объёма крахмальных зёрен. При нагревании структура крахмальных зёрен, суспензированных в большом количестве воды. При температуре 20… С поглощение воды происходит медленно и заканчивается в течение 1ч, объём зёрен увеличивается при этом до 50% от исходного: повышение вязкости суспензии не отмечается; крахмальные зёрна сохраняют свой внешний вид и двойное лучепреломление. На начальных стадиях нагревания вязкость не меняется, так как гидратация происходит на молекулярном уровне внутри зерна (гранулы). На этой стадии гидратация и набухание являются обратимыми, так как сохраняется молекулярная память, достаточная для возвращения к первоначальному состоянию после охлаждения и высушивания.

Дальнейшее повышение температуры крахмальной суспензии в интервале от 50 до С (для различных крахмалов) обусловливает уже значительное повышение растворимости крахмала (амилазной фракции), крахмальные зёрна значительно увеличиваются в объёме, их форма сохраняется, слоистость выражена в меньшей степени, чем у исходного крахмала, оптическая анизотропия исчезает, вязкость крахмальной суспензии возрастает. Некоторая часть крахмала (главным образом амилаза) переходит в раствор, что можно обнаружить реакцией с разбавленным раствором йода в осветлённой тем или иным способом жидкости и подтверждается данными хроматографического анализа крахмального центрифугита по его окрашиванию йодом. В крахмальной суспензии, нагретой до С, крахмальные зёрна увеличены в несколько раз, они превращаются в пузырьки (мешочки), наполненные растворённой амилазой, набухшим и частично растворённым амилопектином, значительная часть растворённого крахмала (главным образом амилаза и небольшие амилопектиновые единицы размером около 400 нм) переходит из крахмальных зёрен (пузырьков, мешочков) в окружающую их воду, количество которых вне зёрен уменьшается, что приводит к увеличению вязкости образовавшегося клейстера. На этой стадии нагревания целостность крахмальных зёрен сохраняется.

Нагревание клейстера выше С вызывает дальнейшее поглощение воды, приводящие к разрыву и дезинтеграции крахмальных зёрен, вызывающих снижение вязкости клейстера. Особенно эти процессы протекают при С (при кипении). Из кулинарной практики известно, что длительное кипячение киселя приводит к его разжижению, т.е. к резкому падению вязкости.

Консистенция и прозрачность получаемых клейстеров зависит от вида крахмала. Клейстеры из клубневых крахмалов имеют прозрачную, бесцветную, желеобразную консистенцию, а из зерновых непрозрачную, молочно-белую, пастообразную консистенцию. Клейстер кукурузного амилопектинового крахмала по своим свойствам ближе к клейстеру из картофельного крахмала. В кулинарной практике для приготовления киселей из свежих плодов и ягод используют картофельный крахмал, а при приготовлении молочных киселей можно использовать крахмал из зерновых.

В результате гидротермической обработке в крахмалосодержащих продуктах увеличивается содержание водорастворимых веществ вследствие растворения амилозы, что оказывает положительное влияние на качество кулинарной продукции.

На температуру клейстеризации крахмала и вязкость получаемых клейстеров оказывает влияние присутствие в системе солей (например хлорид натрия), сахаров (сахарозы), белков, жиров, органических кислот и воды.

Содержащаяся в пищевых системах вода должна быть доступной для участия в превращениях, она характеризуется показателем “активность воды” ( ). На активность воды оказывают влияние соли, сахара и другие связывающие воду компоненты. При значительных количествах таких веществ активность воды снижается и клейстеризация крахмала будет тормозиться, так как они связывают воду и уменьшают таким образом количество воды, доступное для участия в клейстеризации.

Хлорид натрия даже в небольших количествах повышает температуру клейстеризации и снижает набухаемость крахмальных зёрен. Вязкость таких клейстеров ниже по сравнению с клейстерами, не содержащих поваренную соль. Увеличение концентрации хлорида натрия сопровождается возрастанием критической концентрации гелеобразования (ККГ), причём для каждого вида крахмала эти изменения имеют свои особенности. Для картофельного крахмала минимум гелеобразующих свойств наблюдается при исходном значении pH и концентрации соли 2,5% , а гель-точка при этом составляет 5% . Для кукурузного крахмала минимум гелеобразующих свойств имеет место при pH = 6,0, концентрации соли 2,5% и соответствует гель-точке, равной 7,7%.

Повышение концентрации сахара (особенно сахарозы) уменьшают скорость клейстеризации крахмала и снижает пик вязкости. Это связано с тем, что сахара связывают доступные молекулы воды и тем самым уменьшают их количество для взаимодействия их с крахмалом. К тому же сахара уменьшают силу крахмального геля, играя роль пластификатора.

Жиры, которые могут давать комплексы с амилазой, тормозят набухание крахмальных зёрен. Поэтому в хлебобулочных изделиях с низким содержанием жира 96% крахмала обычно полностью клейстеризовано. Повышают температуру клейстеризации также моноацилглицериды ( ) вследствие образования соединений с амилазой, которые препятствует доступу воды в зёрна крахмала.

Концентрации ионов водорода, характерные для диапазона pH от 4 до 7, которые присущи большинству кулинарной продукции, не оказывает существенного влияния на степень набухания и клейстеризацию крахмала. В сильнощелочной среде (pH 10) скорость набухания крахмала сильно увеличивается. Однако такое значение pH находится вне зоны, характерной для пищевых продуктов. Клейстеры, полученные при низких значениях pH, характеризуются пониженной вязкостью, что обусловлено образованием незагустевающих декстринов в результате гидролиза крахмала.