Хлеб наш насущный. – Часть 3

Author: Klaus Roth
Перевод с английского: Диана Мочерняк ©

9. Химия выпечки

9.1. Пшеничный хлеб

50 °C

В начале процесса выпечки дрожжевые клетки, которые жизнеспособны до 50 °С, размножаются сначала через аэробную, а затем анаэробную деградацию мальтозы, что приводит к образованию двуокиси углерода и воды или этанола. Дрожжевые клетки сначала расщепляют мальтозу своей собственной мальтазой на две молекулы глюкозы, которые затем деградируют обычным способом через гликолиз.

65 °C

Начиная с прибл. 65 °C, в тесте начинаются процессы настоящего развития – с химической точки зрения, это когда начинает формироваться «сердце» хлеба, мякиш. Белки клейковины, легко деформируемые при более низких температурах, создают в результате расширения крошечных пузырьков углекислого газа обширный трехмерный каркас, в который встраиваются зерна крахмала (часть 2, раздел 4.1). Около 65 °C белки клейковины денатурируются, тем самым теряя свою пластичность. Таким образом, пластичное тесто превращается в эластичное тесто.

Не только белки клейковины, но и белковые оболочки, окружающие зерна крахмала, денатурируются при температуре около 65 °C и становятся проницаемыми для воды. Вода, выделяемая белками клейковины, полностью поглощается крахмальными зернами, вызывая разбухание крахмала. Этот перенос воды сам по себе впечатляет, так как тесто, которое выглядит влажным, после выпечки кажется полностью сухим, хотя, учитывая высокую температуру, потеря воды во время выпечки довольно незначительна (примерно 10%). Другими словами, мякиш в свежеиспеченном хлебе содержит почти столько же воды, сколько сырое тесто. Большая часть этой воды остается плотно связанной с белкам клейковины в изначальном виде теста и с разбухшим крахмалом в полученном хлебе [9]. Зерна крахмала увеличиваются в объеме примерно на 20-40% из-за поглощения воды, в результате чего окружающие белковые оболочки разрываются. Набухший крахмал подвергается атаке α-амилазой (EC 3.2.1.1, оптимальная температура 65 °C) и расщепляется на большие фрагменты – декстрины. В то же время, β-амилаза (EC 3.2.1.2, оптимальная температура: 50 °C) катализирует расщепление этих фрагментов с концов цепей, образуя дисахарид мальтозу (рис.10) [10].

Рисунок 10. Расщепление крахмала катализируемое α- и β-амилазами. α-Амилаза расщепляет молекулу крахмала в середине полимерной цепи. β-Амилаза отсекает мальтозные единицы с конца молекулы крахмала.

Из-за высокого давления, оказываемого зернами набухающего крахмала, вся кристаллическая структура крахмала разрушается, и крахмал становится желатиноподобным вместе с его продуктами разложения. Так образуется желаемый относительно твердый мякиш. Насколько чувствительна точность для различных химических процессов, происходящих параллельно друг другу, наглядно проиллюстрировано испорченным хлебом (рис.9).

Рисунок 9. Ошибки при выпечке хлеба и их причины.
© UNIFERM GmbH & Co. KG , Верн, Германия.

A) Ферментативно-дефицитная пшеничная мука: слишком мало крахмала разлагается в процессе выпечки, поэтому тесто слишком твердое, и мякиш оставляет впечатление, когда его пережевывают, что хлеб слишком твердый и сухой.Кроме того, он на вкус мягкий и не кажется свежим.

B) Мука пшеничная, богатая ферментами. Слишком много продуктов распада крахмала заставляет тесто быть слишком мягким, а хлеб кажется недостаточно упругим. Из-за недостаточной задержки и удержания газа мягким тестом поры очень редкие, и трудно различить их на срезе.

C) Ферментативно-дефицитная ржаная мука: с ржаной мукой, если имеется недостаточный запас ферментов, то тесто получается слишком кислое, при этом разлагается очень мало крахмала.Тесто становится слишком твердым, и полученный хлеб кажется сырым и не свежим.

D) Ржаная мука, богатая ферментами. Если в ржаной муке слишком много крахмала разлагается из-за избытка ферментов или недостаточно подкисления, то выделяется слишком много углекислого газа в очень мягком тесто.В хлебе образуются полости, он не обладает эластичностью и стремится к образованию сырых масс.

Хорошо испеченный хлеб обладает уникальными материальными характеристиками: такой хлеб не меняет свою форму, он мягкий и эластичный при надавливании. Мякиш не упругий под давлением и, следовательно, легко поддаётся жеванию. Хлеб прочный и легко поддается резке; такой кусочек хлеба можно легко намазать маслом или альтернативным спредом. Эти материальные характеристики могут показаться здесь чрезмерными, но это ложное суждение, поскольку важно, чтобы хлеб выполнял свою функцию. Прежде всего, это означает, что можно отрезать один кусочек, срез можно смазать маслом, а затем кусок можно откусить и прожевать.

110 °C

Для многих гурманов лучшая часть хлеба, это его корочка с её соблазнительным ароматом. Из-за низкого содержания воды здесь проявляется только минимальная желатинизация крахмальных зерен. При температурах выше 110 ° C происходит не ферментативный каскад ступеней поджаривания на верхней поверхности корки (реакция Майара [11]) с участием продуктов разложения белков, реагирующих с широким спектром сахаридов. Прежде всего, арабиноза и мальтоза, образовавшиеся из α-амилазы способствуют интенсивному потемнению, с образованием важных ароматобразующих веществ.

140 °C

Карамелизация присутствующих сахаров начинается при 140 °С, а затем типичные «реакции обжигания» свыше 150 °С. Выпечка ведет к образованию буквально сотни ароматических веществ (рис. 11), хотя только некоторые из них имеют решающее значение для типичного аромата мякиша и корки хлеба.

Рисунок 11. Самые важные ароматические вещества, связанные с белым хлебом. Первые шесть соединений характерны для аромата белого хлеба. Белый хлебный мякиш пахнет метионалем, (E)-2-ноненалем и тремя последними соединениями [12].

9.2. Ржаной хлеб

В процессе выпечки ржаного хлеба участвуют различные химические процессы, их намного больше, чем в случае выпечки пшеничного хлеба. Ржаная мука содержит очень мало белков клейковины, но вместо этого в ней много пентозанов. Факторы, которые являются решающими в различиях процесса производства ржаного хлеба, в отличие от пшеничного хлеба, заключаются в том, что зерна крахмала во ржи начинают набухать уже при температуре выше 55 °C; т.е. на 10 °C ниже, чем в случае с пшеницей [13]. Это фактически имеет фатальные последствия для теста, потому что α-амилаза имеет максимальную каталитическую активность при 65 °C, а после набухания крахмал оказывается беззащитным по отношению к α-амилазе, в результате чего он сильно расщепляется. Кроме того, во ржи содержится гораздо больше этого фермента, чем в пшенице. Если не вмешиваться в этот процесс, то крахмал был бы по существу полностью разложен, а полученный ржаной хлеб был бы жирным, неупругим и неприятным (рис.9, D).

Единственный путь, что бы предотвратить эту катастрофу при приготовлении ржаного теста является непременно химическим по своему характеру. Для осуществления этого pH теста должен быть уменьшен до значения <5, что подавляет активность α-амилазы. Это особенно актуально если сбор урожая происходил во влажный период, когда собранная рожь особенно богата ферментами. Необходимое подкисление может быть достигнуто с помощью безвредного для питания подкислителя, такого как молочная или лимонная кислота, или путем добавления закваски. Между прочим, не следует смущаться, обнаружив, что хлеб, содержит «Е 270» или «Е 330»: это официальные обозначения для молочной кислоты и лимонной кислоты, соответственно, которые должны быть указаны на этикетке в странах Европейского Союза или в Швейцарии, когда они добавляются в пищевой продукт. Оба вещества также присутствуют, естественно, в молоке и лимонах, но в этом случае, разумеется, не нужно сообщать об этом, поскольку они были там первоначально, и поэтому не будут классифицироваться как «добавки». Ситуация становится особенно любопытной, кстати, когда дело доходит до обычной соли. Соль, естественно, не присутствует в муке, поэтому ее следует добавить, но это можно не указывать на этикетке, по-видимому, потому, что она на протяжении веков добавлялась для улучшения вкуса хлеба.

Подкисление теста также улучшает степень набухания белков. Кроме того, при низких значениях рН и более высоких температурах молекулы арабинозы гидролитически отщепляются из цепей пентозана, а полученные нерастворимые пентозаны вносят значительный вклад в образование стабильного мякиша. Пентозаны связывают воду гораздо сильнее, чем разбухшие зерна крахмала в пшеничной муке. Вот почему ржаной хлеб остаётся свежими дольше и высыхает гораздо медленнее, чем пшеничный хлеб.

10. Хлеб сегодня, и как мы его понимаем

Для выпечки хлеба единственными настоящими потребностями являются мука, вода, соль, дрожжи или закваска. Наши предки делали хлеб из этих ингредиентов, так почему мы добавляем сейчас другие ингредиенты в тесто? Ответ прост: потребители сегодня настаивают на вкусном хлебе неизменно высокого качества, всегда доступном свежеиспеченном, но в то же время недорогим, насколько это возможно.

Однако потребитель забывает о том, что качество зерна зависит от самого происхождения хлеба, а это в свою очередь сильно зависит от погоды во время роста и сбора урожая. Другими факторами являются состояние почвы, удобрение, разнообразие зерна и т. д. Некоторые из этих параметров не могут контролироваться. Поэтому каждая партия зерна, поступающая на мельницу, обязательно будет иметь другой состав, что приведет к различным характеристикам выпечки. Но, как потребители, мы настаиваем на том, чтобы наш хлеб всегда был таким же, каждый раз исходя из печи пекаря с высоким качеством. Это будет гарантировано только в том случае, если мельнику и пекарю разрешено добавлять специальные ингредиенты [14], которые компенсируют недостатки, вызванный изменением свойств сырья. Из-за важности свойств эти конкретные добавки являются одними из наиболее тщательно изученных всех пищевых добавок, как с технической и так и токсикологической точек зрения. В дальнейшем мы предлагаем несколько примеров таких добавок.

10.1. Усилители вкуса

Солод является одним из самых древних из усилителей вкуса хлеба. Он делается из ячменя или пшеницы. Зерно увлажняется, и проращивание прерывается через несколько дней путем сушки.

Солод богат амилазами и вводится в пшеничную муку, имеющую дефицит ферментов. Это гарантирует, что крахмалы будут подвергаться более интенсивной ферментативной деградации. Мальтоза, присутствующая в солоде, обеспечивает питательную основу дрожжевых клеток, чтобы поддержать их рост, вызывая размягчение теста. Кроме того, мальтоза деградирует во время выпечки с образованием желаемых ароматизирующих агентов и карамелизируется на поверхности как вещество необходимое для образования (поджаривания) корки.

10.2. (L)-Аскорбиновая кислота (3)

Ядра зерна не содержат аскорбиновую кислоту (витамин С) [15], поэтому добавление ее в хлебное тесто, приводит к благоприятному улучшению качества пищевого продукта. По правде говоря, история немного сложнее, потому что витамин С служит не только средством улучшения качества хлеба, к тому же витамин С практически полностью разрушается термически во время процесса выпечки.

Соответствующее улучшение теста является следствием вмешательства аскорбиновой кислоты в окислительно-восстановительные реакции с участием дисульфидных мостиков. В процессе созревания муки, а также при замешивании теста, свободные SH-группы в цистеиновых остатках белков клейковины окислительно соединяются посредством дисульфидных мостиков.

Эта сшивка стабилизирует клейковину, делает её более эластичной и пластичной и лучше поддерживает давление газа из пузырьков с небольшим количеством углекислого газа. Это, в свою очередь, увеличивает объем выпечки (часть 2, раздел 5.1).

Пшеничная мука может содержать до 60 мг/кг природного глутатиона (1), что отрицательно влияет на характеристики выпечки муки. Это связано с тем, что глутатион препятствует образованию дисульфидных мостиков, поскольку в присутствии кислорода он реагирует с HS-Cys-связями белковых цепей клейковины.

Как следствие, сшивание белков клейковины ингибируется, адгезия клейковины остается слабой, а газовые пузырьки исчезают. Из теста такого типа получаются только малообъемные плоские хлебобулочные изделия, что не совсем точно соответствует нашему видению пухлой круглой буханки хлеба!

Использование аскорбиновой кислоты в качестве хлебопекарного ингредиента случилось после случайного открытия датского химика Хольгера Йоргенсена [16]. Эффект стал полной неожиданностью, поскольку до тех пор сопоставимые улучшения могли быть достигнуты только с сильными окислителями, такими как бромат калия, персульфат или перйодат. Сегодня добавление последних соединений запрещено на всей территории ЕС.

Аскорбиновая кислота, с другой стороны, является сильным восстановителем! Восстановительные свойства витамина С довольно часто используются в пищевой технологии, например, при сохранении яблочного сока [17].

Очевидное противоречие было в конечном счете выяснено [18-20]. Аскорбиновая кислота (3), добавленная в тесто, во время процесса замешивания подвергается реакции, в которой она окисляется в течение нескольких минут присутствующим кислородом с образованием дегидроаскорбиновой кислоты (4).

Точнее, именно этот продукт окисления улучшает характеристики муки, а не аскорбиновая кислота. Уточнение механизма действия для аскорбиновой кислоты можно описать как стереохимическую жемчужину.

Первоначально, в течение нескольких минут после замешивания, (L)-аскорбиновая кислота (3) окисляется, как отмечалось выше, до дегидроаскорбиновой кислоты (4) кислородом, уже присутствующим в тесте. Эта реакция с аскорбиновой кислой катализируется оксидазой. Затем глутатион (1), естественно присутствующий в тесте, превращается в окисленный глутатион, точнее бисглутатион (2), при этом окислителем выступает дегидроаскорбиновая кислота и сама реакция катализируется глутатиондегидрогеназой. Как следствие, бисглутатион (2), в отличие от глутатиона (1), не способен ингибировать сшивание SH-связей цистеина в белках клейковины.

Три стереоизомера аскорбиновой кислоты, неприродная (D)-аскорбиновая кислота и энантиомерная изоаскорбиновая кислота показывают только незначительное улучшение хлеба.

Рисунок 12. Хлеб, запеченный с различным количеством (L)-аскорбиновой кислоты. Слева: нет аскорбиновой кислоты; посередине: 20 мг; справа: 60 мг.

В целом, приготовление хлебного теста и его последующее выпекание сводится к возникновению бесчисленных последовательных химических реакций. Разрыв и повторное соединение дисульфидных мостиков представляет собой серию окислительно-восстановительных реакций; разложение молекул крахмала и пентозанов соответствует гидролизу; чередование склеивания воды с белками клейковины и крахмалов основано на образовании водородных связей; и, наконец, образование ароматических компонентов в мякише и корке является следствием термически индуцированных реакций между сахарами и белками.

Со свежеиспеченной и ароматной буханкой хлеба мы имеем перед собой не только здоровое лакомство, но и прекрасный кусочек химии! Давайте наслаждаться обоими.

References

[9] S. Ablett et al., in Chemistry and Physics of Baking (Eds. J. M. V. Blanshard, P. J. Frazier, T. Galliard), The Royal Society of Chemistry, London, UK, 1986. ISBN: 978-0851869957
[10] B. Meyer, PdN-BioS 2007, 56, 10. Link
[11] M. Angrick, D. Rewicki, Chem. Unserer Zeit 1980, 14, 149. DOI: 10.1002/ciuz.19800140503
[12] From a lecture by P. Köhler “Chemistry of Bread “, 2005, Kulmbach, Germany.
[13] B. Meyer, PdN-BioS 2007, 56, 4. Link
[14] B. Meyer, Getreidetechnologie 2006, 20, 1.
[15] The Composition of Foods, B. Holland et al., The Royal Society of Chemistry, Cambridge, UK, 1992.
[16] H. Jörgensen, Biochem. Z. 1935, 280, 1, and ibid., 1935, 283, 134.
[17] A. Deifel, Chem. Unserer Zeit 1993, 27, 198. DOI: 10.1002/ciuz.19930270405
[18] P. Maltha, Getreide&Mehl 1953, 3, 65.
[19] W. Grosch, Getreide, Mehl und Brot 1975, 29, 273.
[20] P. Köhler, PdN-BioS 2007, 56, 8. Link

Prof. Klaus Roth
Freie Universität Berlin, Germany.
The article has been published in German in:
Chem. Unserer Zeit 2007, 41(5), 400–409.
DOI: 10.1002/ciuz.200700438
and was translated by W. E. Russey.

Источник

Переклад з англійської: Діана Мочерняк ©2019
Редакція та дизайн – Майстерний Хімік™ ©2019