1.3 Теоретические основы структурообразоваиия теста и его реологические свойства

Белковые вещества пшеничной муки способны поглощать и связывать воду в 2,0—2,5 раза больше своей массы.

Набухшие белковые мицеллы являются лиофильными коллоидными системами. Их лиофильность обусловлена тем, что на поверхности мицелл находятся полярные группы. Состояние молекул и мицеллах близко к их состоянию в монослоях на границе раздела фаз с водой. Такие межфазные границы характеризуются низкими значениями межфазного натяжения. Эти системы термодинамически устойчивы, поскольку агрегирование частиц не сопровождается значительным выигрышем энергии Гиббса.

Кроме того, на лиофильных поверхностях за счет сильных водородных связей образуются слои жидкости с измененной структурой, которая распространяется на значительные расстояния (до десяткой нанометров). Ориентация молекул в граничных слоях жидкости, повышение вязкости, упругости, появление сопротивления сдвигу значительно препятствует сближению набухших белковых мицелл. Перекрытие граничных слоев при сближении частиц приводит к появлению структурной составляющей расклинивающего давления, ответственной за устойчивость гидрофильных коллоидов.

Наряду с твердой фазой в тесте имеются жидкая и газообразная фазы. Жидкая фаза представляет собою многокомпонентный водный раствор веществ, предусмотренных рецептурой для данного тоста. Кроме того, в состав

жидкой фазы входят все растворимые в воде органические и минеральные вещества муки. Вместе со свободной водой значительная часть жидкой фазы осмотически поглощается белковыми веществами.

Соотношение между твердой и жидкой фазами зависит от вида теста, сто влажности, количества и качества клейковины муки.

При замесе теста захватывается, диспергируется и удерживается часть воздуха.

При замесе теста в результате механических воздействий набухшие белковые вещества "вытягиваются" из частиц муки в виде пленок или жгутиков, которые в свою очередь соединяются вследствие слипания, а частично и образования "сшивающих" химических ковалентных и других связей мостиков с пленками и жгутиками набухшего белка смежных частиц муки /89/.

При продолжительном механическом воздействии агрегаты белка вытягиваются и разрываются, образуя тонкие пленки и нити, происходит разрыв водородных, гидрофобных связей и солевых мостиков, а также деполимеризация больших агрегатов клейковины за счет разрыва дисульфидных связей между пептидными цепочками /61,105/.

В изоэлектрической точке белок обладает наименьшей растворимостью, наименьшей вязкостью растворов и наиболее легко осаждается из растворов.

Белки являются гидрофильными веществами, их молекулы способны связывать значительное количество воды. На поверхности белковой глобулы расположены различные гидрофильные группы, притягивающие к себе ди- польные молекулы воды. Атомные группировки белковой молекулы резко различаются по характеру взаимодействия с молекулами воды в растворе: они содержат полярные группы, образующие водородные связи с водой; заряженные группы, вызывающие сильное электрострикционное сжатие воды в своей гид ратной

ойо ючке: гидрофобные группы, влияние которых на многие характеристики воды качественно отличается от влияния полярных и заряженных групп. Поэтому гидратная оболочка белковой глобулы гетерогенна, она способствует агрегативнои устойчивости белков в растворе.

Значительная доля поверхностных гидрофильных атомных групп биополимеров представлена заряженными группами. Их взаимодействие с водой и ионными компонентами растворителя во многом определяет структуру и стабильность белков и термодинамические свойства их растворов. В результате диссоциации заряженных групп в водном растворе поверхность белковой молекулы приобретает избыточный электрическии заряд, а в гидратнои оболочке возникает двойной электрический слой, от величины потенциала которого зависят электростатические силы отталкивания.

(И)

11(h) = llM(h) + lUh) + 1Mb)

где 11(h) - расклинивающее давление; IIM(h), lln(h) - молекулярная и элнктростатическая составляющие расклинивающего давления соответственно; ll4(h) - структурная составляющая изотермы.

Л W'ftofm1

Рис I.

I аким образом, агрегативная устойчивость набухших белковых мицелл при замесе теста зависит, согласно теории ДЛФО, от трех составляющих расклинивающего давления в пленках воды, покрывающих белковые мицеллы:

Кривая 1 (рис. 1) относится к пленкам воды на поверхности белковых макромолекул. Ветви изотермы, где dll/dh < 0, отвечают устойчивым состояниям пленки. При замесе теста толщина гидратных оболочек постепенно уменьшается и может достигнуть разновесной для fj-пленок толщины hi, при которой расклинивающее давление и пленке равно внешнему (капиллярному) давлению П = Р0. В этой области ход изотермы определяется электростатической составляющей расклинивающего давления, в этом случае ПЭЛ»ПМ

иПэл»а.

При дальнейшем утончении гидратных оболочек hШтриховая кривая 2 характеризует зависимость ns(h). Совместное действие электростатических (кривая 3), молекулярных (кривая 4) и структурных сил приводит к смене знака суммарного расклинивающего давления пленки и пересечению изотермой TI(h) оси толщин при h=ho=65 А. При утончении гидратной оболочки на поверхности белковых молекул до толщины ho поверхностные силы в пленке способствуют притяжению белковых молекул и их агрегированию /27,81/.

Основная роль в образовании белкового каркаса принадлежит гидрофобным взаимодействиям между неполярными группами белковых молекул. Значительную роль в возникновении структурного каркаса теста играют окислительно-восстановительные реакции. Перемешивание теста в атмосфе-ре воздуха вызывает окисление сульфгидрильных групп кислородом с образованием дисульфидных связей, что упрочняет структуру белка, увеличивает ее эластичность и прочность.

Решающее влияние на агрегирование набухших белковых макромолекул оказывают электростатическая и структурная силы.

Причем, действие электростатических сил проявляется в толстых прослойках h>l ООО А, а структурных сил — в более тонких прослойках h< 200 А.

Молекулы глиадина и глкггенина не перемещаются в водном растворе, где иногда достаточно броуновского движения для преодоления энергетического барьера, а находятся в набухшем состоянии. В таком состоянии преодоление энергетического барьера возможно лишь за счет внешнего механического воздействия, сила которого должна быть больше суммы сил электростатического и структурного отталкивания.

Изменение рН среды весьма чувствительно влияет на структурные силы. Снижение рН приводит к уменьшению сил структурного отталкивания, а рост значений рН — к существенному увеличению.

К разрушению особой структуры граничных слоев воды ведет, как известно, и повышение температуры, ослабляющее межмолекулярные водородные связи в воде, ответственные за дальнодействие структурных сил.

Таким образом, использование изотерм расклинивающего давления, включающих три составляющих (Пм, Пад, П*) можно объяснить механизм образования структурного белкового каркаса при замесе теста и наметить пути управления этим процессом /75/.

Тесто является сложной системой, которая в различных условиях про-являет свойства упругого тела или вязкой жидкости. Для него характерны такие реологические свойства, как вязкость, упругость, эластичность, пластичность, релаксация. Они зависят от величины деформации и её характера, силы муки, влажности теста, температуры тестоведения, рецептуры, свойств сырья, и т.д.

Зная реологические свойства теста, можно заранее определить усилия перемещения и формования теста, а также способность тестовых заготовок сохранять форму, объем и выбрать оптимальные технологические режимы, прогрессивную технологию, обеспечивающие высокое качество готовых изделий.

Особенности вязко-упруго-пластичных свойств теста как структурированной системы проявляются в его реологии.

Исследование и контроль структурно-механических свойств теста по-зволяет установить взаимосвязь количественных и качественных характеристик готовых изделий /62/. Начиная с замеса, вплоть до разделки, выпечки, охлаждения, транспортирования, тесто подвергается внешним воздействиям, деформациям в объеме, а также на поверхности. Деструкция и структурирование теста - два основных сложных физико-химических процесса, формирующих пористость, объем хлеба.

К основным реологическим свойствам теста относятся вязкость, уп-ругость и прочность.

Наиболее важной величиной, которая определяет различное состояние веществ, является вязкость (внутреннее трение) - мера сопротивления течению, равная отношению напряжения сдвига к скорости сдвига. Величина, обратная вязкости, называется текучестью.

Тесто является оводненным коллоидным комплексом, обладающим определенной внутренней структурой и своеобразными непрерывно изменяющимися структурно-механическими свойствами. Реологические характеристики теста зависят от температуры, влажности, продолжительности и интенсивности механического воздействия на тесто, рецептуры, способа приготовления и др. /63/.

По устоявшейся терминологии различают вязкость динамическую и кинематическую. Динамическая вязкость для неньютоновских жидкостей называется эффективной. Она определяется отношением напряжения сдвига к скорости сдвига. Частным случаем эффективной вязкости является пластическая, которая характеризует свойства тел, деформирующихся при напряжениях, превышающих предельное. Вязкость выполняет роль структур- но-механического барьера при образовании и разрушении пористой струк-

туры. При невысокой вязкости образование газообразной фазы и пор в объеме теста происходит при его замесе, брожении быстро, с малой затратой энергии. При этом получается высокий объемный выход теста. Но вследствие низкой вязкости стенки пор легко разрушаются избыточным давлением газообразных продуктов.

Избыточная вязкость препятствует развитию пор и объема хлебобулочных изделий в результате пластических деформаций течения его струк-туры.

Пластичность - способность тела к формоизменению или течению под действием остаточных или необратимых деформаций.

Упругие свойства определяются предельным напряжением сдвига и другими механическими характеристиками. 1

Сопротивление тела действию касательной составляющей приложенной силы называют напряжением сдвига. Минимальная сила, необходимая для осуществления сдвига (перемещение слоев на площади сдвига), определяется величиной предельного напряжения сдвига. Если при всестороннем равномерном давлении изменяется только объем тела, а при этом форма остается неизменной, то при сдвиге изменяется форма тела при постоянном объеме.

Процесс постепенного рассеивания запасенной в теле энергии упругой деформации путем перехода ее в тепло называют релаксацией напряжений.

Механические свойства твердых тел и жидкостей характеризуются способностью сохранения и изменения формы (деформирование). Их деформации после снятия внешних сил могут быть обратимыми ( упругими) или остаточными ( пластичными). В зависимости от скорости обращения обратимые деформации делят на условно-мгновенные упругие и развивающиеся во времени - временные. Мгновенно-упругие деформации возникают в результате действия основных, первичных химических связей атомов

в молекуле соединения. Предельные размеры таких деформаций обычно невелики, так как силы взаимного притяжения-отталкивания атомов этих связей действуют на достаточно малых расстояниях /63/.

Эластичные деформации, свойственные белкам пшеничной муки, имеют значительные размеры, которые во много раз превышают величины мгновенно-упругих деформаций. Пластичные деформации свойственны жидкостям. Они могут быть сколь угодно большими. Текучесть жидкости обратно пропорциональна вязкости.

Многие коллоидные дисперсные системы, а том числе и тесто, по существу являются твердо-жидкими телами, которые одновременно обладают упруго-пластично-вязкими свойствами.

При наложении на идеально-упругое тело внешних напряжений в нем мгновенно возникают упругие, обратимые деформации при т= 0). Они исчезают мгновенно после снятия внешних усилий (Р=0). Подобные тела описываются законом Гука:

ео = Р-а (15),

где а - коэффициент пропорциональности, характеризующий природные свойства тела изменять свою форму под действием внешних напряжений (Р)

Величина, обратная коэффициенту а (Е = 1/а), характеризует способность тела к сопротивлению изменения формы:

ео = Р/Е, (16)

Коэффициент Е называется модулем упругости. Явление упругости тела препятствует процессам развития объема и формирования тестовых заготовок. Однако уже в сформированных тестовых заготовках оно способствует сохранению их правильной формы /61/.

Многие реальные твердые тела и дисперсные коллоидные системы, к которым относится тесто, кроме мгновенной упругости проявляют высокую

эластичность во времени. Эти свойства теста играют важную роль. Они способствуют образованию и сохранению его пористой структуры, но при этом препятствуют правильному делению теста на куски и приданию формы тестовой заготовке.

Низкая величина модуля упругости-эластичности сдвига Е характеризует высокую эластичность теста, что позволяет осуществить при взаимодействии малых напряжений обратимые изменения формы и объема такого теста. При этом из муки средней или низкой водопоглотительной способности получаются изделия значительного объема, правильной формы с мелкой тонкостенной пористостью.

Повышенная или пониженная эластичность теста приводит к соответствующему изменению объема хлеба.

При измерениях структурно- механических свойств теста важное значение имеет отношение вязкости к модулю упруго-эластичности ( rj/E =0), которое характеризует продолжительность или скорость релаксации внут-ренних напряжений и выражается в секундах. Это отношение определяет вид и величину деформаций теста в процессе его технологической обработки.

Излишне продолжительный период релаксации напряжений способствует сохранению и даже увеличению внутренних напряжений при деформации. Такое тесто проявляет свойства упруго-эластичности, однако, оно под действием внешних усилий иногда трудно формуется. Упругое тесто при увеличении скорости деформации может приобретать свойства хрупкости - перенапряжения с разрушением структуры.

Излишне краткий период релаксации внутренних напряжений способствует проявлению тестом свойств пластичности. Такое тесто быстро теряет способность к сохранению упругих внутренних напряжений, которые определяют объем, форму. Оно течет-бысфонеобраггамо деформируете

Вязкость теста зависит от скорости деформации, поэтому зависимость напряжения от скорости сдвига имеет нелинейный характер. Это объясня-

ется тем, что в условиях больших скоростей сдвига дисперсной системы часть разрушаемых в этом процессе связей структуры не успевает восстановиться. Число таких связей зависит от структуры и скорости ее деформации. После некоторой выдержки деформированной системы разрушенные связи восстанавливаются и она будет иметь вязкость, близкую к первоначальной, неразрушенной структуре /63/.

Качество хлебобулочных изделий зависит от многих факторов - сорта муки, количества и качества клейковины, рецептуры и влажности теста, способа тестоприготовления и др. Учесть долю каждого отдельного фактора в формировании качества изделий трудно, поэтому необходимо выбрать обобщающий критерий, по которому можно прогнозировать свойства готовых изделий и определять пути их регулирования.