Структурно-механические свойства бродящего теста (стр. 1 из 4)

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.