МЕТАРЕОЛОГИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЯЗКОУПРУГИХ СВОЙСТВ ХЛЕБОБУЛОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Арет В.А.¹, Мещанинов А.В.², Руднев С.Д.³

¹Доктор технических наук, «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», ² аспирант, «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», ³ORCID: 0000-0003-2506-6121, Доктор технических наук, «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности (университет)»

МЕТАРЕОЛОГИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЯЗКОУПРУГИХ СВОЙСТВ ХЛЕБОБУЛОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ

При хранении хлеба в обычных температурных условиях (15–25° С) через 8–10 ч появляются признаки черствения, усиливающиеся при дальнейшем хранении. Мякиш при этом теряет эластичность, становится жестким и крошащимся, ухудшается вкус и снижается аромат хлеба, свойственные свежему изделию. Хрупкая после выпечки корка превращается в мягкую, эластичную и иногда морщинистую. Очерствение вызывается в основном изменением структуры крахмала при хранении хлеба. Клейстеризованный в процессе выпечки крахмал с течением времени выделяет поглощенную им влагу и переходит в прежнее состояние, характерное для крахмала муки. Крахмальные зерна при этом уплотняются и значительно уменьшаются в объеме, между ними образуются воздушные прослойки. Поэтому черствеющий мякиш становится крошковатым. Свободная влага, выделенная крахмалом, при очерствении хлеба впитывается белками и частично испаряется, а также остается в образовавшихся воздушных прослойках.

Ключевые слова: хлеб; хранение; крахмал; влага; очерствение.

Aret V.A.¹, Meshchaninov A.V.², Rudnev S.D.³

¹PhD in Engineering, “Saint Petersburg State University of Information Technologies, Mechanics and Optics”, ²Postgraduate Student, “Saint Petersburg State University of Information Technologies, Mechanics and Optics”, ³ORCID: 0000-0003-2506-6121, PhD in Engineering, “Kemerovo Institute of Food Science and Technology (University)”

METEOROLOGICAL STUDY OF VISCO-ELASTIC PROPERTIES OF BAKERY PRODUCTS

Abstract

If you store bread under ordinary temperature conditions (15-25°C) signs of staling will appear in 8-10 hours, which increases with further storage. The crumb loses its elasticity, becomes hard and crumbly, deteriorates the taste and reduces the flavour of bread, characteristic of a fresh product. The crust which is usually fragile after baking becomes soft, elastic and sometimes wrinkled. Staleness is caused mainly by a change in the structure of starch while storing bread. Gelatinized starch releases the moisture in the process of baking absorbed by it over time and passes to the previous state, characteristic of flour starch. Starchy grains are compacted and significantly reduced in volume, air layers are formed between them. Therefore, the hardening crumb becomes crumbly. Free moisture released by starch, when bread becomes stale, is absorbed by proteins and partially evaporates and remains in the formed air layers.

Keywords: bread; storage; starch; moisture; staleness.

Исследованиями, проведенными в МТИППе (ныне МГУПП) [1], а также в других вузах страны [2], [3], [4], [5], [6], [7], было установлено, что биополимеры, составляющие основу продукта (белки и крахмал), подвергнутые температурной обработке, физико-химическим и биохимическим превращениям не являются стабильными, а продолжают свою трансформацию, что приводит к изменению потребительских свойств. Такие изменения с достаточной точностью могут быть зафиксированы методами инженерной физико-химической механики (реологии). Исследования в этой области знаний неисчерпаемы и всегда представляют как научный, так и практический интерес. Нельзя не отметить достижения таких ученых как Б.М. Азаров, А. В. Горбатов, А. М. Маслов, Ю. А. Мачихин и С. А. Мачихин, Рогов И. А., Урьев Н. Б. и других в развитии реологии пищи.

Одним из сложнейших процессов в пищевой промышленности является очерствение хлеба. Процесс очерствения хлеба по своей природе является весьма сложным, комплексным и неоднозначным. Кроме того, он напрямую связан с экономикой такой крупной отрасли народного хозяйства как хлебопечение.

После выпечки и охлаждения в нормальных условиях хранения в структуре хлеба происходят процессы, обратные тем, что протекали при выпечке. Трансформируется как белковая, так и крахмальная составляющие мякиша. Но белковая составляющая ретроградирует в 4 – 6 раз медленнее крахмальной. Тогда как последняя в 5 - 6 раз превышает по содержанию белковую. Именно трансформация крахмала и определяет процесс очерствевания. Причем потеря влаги, даже незначительная, ускоряет процесс. Важным является и соблюдение технологических параметров процессов приготовления хлеба: степень интенсивности замеса опары и теста, время брожения и расстойки. Если все технологические параметры соблюдены, то , как показывают экспериментальные исследования, процес очерствевания протекает медленнее. Но важнейшими являются условия хранения готовых изделий.  Применяют различные способы продления свежести хлеба: повышенная температура и влажность, соединение с полупроницаемой мембранной упаковкой, замораживание и пр.

Целью проведенных нами исследований являлось выявление важнейших факторов и параметров хранения, определяющих скорость очерствения.

Исследовалось влияние процессов очерствения на реологические свойства хлеба, в частности – обратную деформацию. Для этого был сконструирован прибор оригинальной конструкции. Действительная схема этого изобретения имеет следующий вид. В качестве объектов исследований были выбраны четыре хлебобулочных изделия с начальной массой 40 г каждое (далее объекты №1, №2, №3 и №4 соответственно). На момент начала опытов объектам было 3.5 часа. Масса каждого уменьшилась до 34 г. Объект №1 был измерен сразу. В качестве нагрузки был использован груз массой 1322 г. Деформация объекта №1 фиксировалась на видеоустройство в режиме реального времени по перемещению луча лазерного устройства вдоль шкалы за определенный промежуток времени.

 

Рис. 1 – Принципиальная схема изобретения (вид сбоку): 1-корпус; 3-металическая планка; 4-лазерное устройство; 6-лазерный луч; 7-измерительная шкала; 8-подпорка; 9-хлебобулочное изделие; 10-груз (г); 11-противовес; 12-видеоустройство

 

Затем, груз был удален, и была зафиксирована обратная деформация объекта. Объект №2 оставили при комнатной температуре. Объект №3 был помещен в холодильную камеру. Объект №4 был помещен в морозильную камеру. На следующий день объекты №2, №3 и №4 так же были подвергнуты исследованию на обратную деформацию, по результатам исследований были составлены графики.

Рис. 2 - Принципиальная схема изобретения(вид сверху): 2-ось; 5-глубокое отверстие во фронтальной части корпуса

 

По результатам исследований были составлены графики зависимости перемещения (H) от времени (t) для всех четырех объектов.

Рис. 3 – График обратной деформации для объекта №1

 

Как видно на графике, объект №1 обладал сильной, глубокой деформацией. Объекту №1 на момент исследования было 3.5 часа, следовательно, объект №1 обладал яркой обратной деформацией и практически полностью восстановил свою первоначальную форму.

Эмпирическая формула для данного графика имеет следующий вид:

   (1)

где эмпирические коэффициенты  a = 9.34,  b = -1,57, c = 1.84, d = -5.5, коэффициент корреляции r = 0.94, среднеквадратичное отклонение Н= 0.04

Рис. 4 – График обратной деформации для объекта №2

 

Как видно на графике, деформация у объекта №2 практически отсутствовала. На момент эксперимента объекту №2 было 26 часов. За это время масса объекта №2 уменьшилась с 34 г до 32 г. Хранение при комнатной температуре усилило очерствение таким образом, что объект №2 практически утратил способность к обратной деформации. Эмпирическая формула для данного графика имеет следующий вид:

  (2)

Где эмпирические коэффициенты  a = 1 и b = 2.37

коэффициент корреляции r = 0.99, среднеквадратичное отклонение H = 0.001

График демонстрирует неглубокую, но плавную деформацию. Обратная деформация объекта №3 так же плавная – объект восстанавливает часть своей первоначальной формы. Объекту №3 на момент эксперимента было 26.5 часов, и его масса уменьшилась до 32 г. Поскольку объект №3 хранился в холодильной камере, он не утратил своих вязкоупругих свойств.

Эмпирическая формула для данного графика имеет следующий вид:

  (3)

где эмпирические коэффициенты  a = 1.11; b = 1; c = -6.5, коэффициент корреляции r = 0,94, среднеквадратичное отклонение H = 0.005

Рис. 5 – График обратной деформации для объекта №3

Рис. 6 – График обратной деформации для объекта №4

 

На данном графике представлена деформация объекта №4. Хранение в морозильной камере, увеличило объем объекта, а вес остался неизменным (34 г). Деформация объекта №4 схожа с деформацией объекта №3, но выражена более ярко. Обратная деформация так же была схожа с объектом №3, хранившимся в холодильной камере.

Эмпирическая формула для данного графика имеет следующий вид:

  (4)

где эмпирические коэффициенты  a = 1.04; b = -4.17; c = 5.24 ; d = -1.75, коэффициент корреляции r = 0,97, среднеквадратичное отклонение H = 0.005

Полученные экспериментальные данные с подробным описанием объектов были занесены в таблицы.

 

Таблица  1 – Результаты измерений

№ опыта	t(с)	H(мм)	Описание состояния объекта (№ объекта, свойства и время хранения)
1	0-90 (деформация) 90-180 (обратная деформация)	0.537 (деформация) 0.317 (обратная деформация)	Объект №1 (вес 34 г, время хранения 3.5 ч)
2	0-15 (деформация) 15-30 (обратная деформация)	0.047 (деформация) 0.035 (обратная деформация)	Объект №2 (вес 32 г, время хранения 26 ч при комнатной t)
3	0-60 (деформация) 60-120 (обратная деформация)	0.143 (деформация) 0.042 (обратная деформация)	Объект №3 (вес 32 г, время хранения 26.5 ч в холодильной камере, 3.5 ч на производстве)
4	0-80 (деформация) 80-130 (обратная деформация)	0.155 (деформация) 0.055 (обратная деформация)	Объект №4 (вес 34 г, время хранения 27.5 ч в морозильной камере, 3.5 ч на производстве)

 

Таблица 2 – Подробное описание объектов

№ объекта	Полное описание (вид, время хранения)	Вес до	Вес после
1	Булочка 40 г Время хранения 3.5 ч с момента выпекания	34	34
2	Булочка 40 г Время хранения 26 ч при комнатной t, 3.5 ч на производстве	34	32
3	Булочка 40 г Время хранения 26.5 ч в холодильной камере, 3.5 ч на производстве	34	34
4	Булочка 40 г Время хранения 27.5 ч в морозильной камере, 3.5 ч на производстве	34	32

 

Тактильная органолептическая оценка, адекватно отражающая вязко-упругие свойства вещества проводилась восемью оценщиками, которым было предложено оценить свежесть и эластичность образцов по 5-бальной шкале. Такие исследования классифицируются как метареологические и психореологические [8]. Оценка «5» соответствовала образцу свежему, эластичному, с ярко выраженной обратной деформацией. Оценка «0» - образец черствый, не имеющий обратной деформации. В результате оценки эксперты не сошлись во мнениях по образцам N^o 1, 3, 4, но единодушно признали образец N^o2 очерствевшим и не имеющим обратной деформации.

Кроме черствости, дегустаторы оценивали еще два органолептических параметра, которые в этой статье не обсуждаются. В результате органолептической оценки дегустаторами образцов хлеба было получены три матрицы оценок следующего вида, приведенные в таблице 3. Все совокупное множество органолептических экспериментальных данных представляет собой нечеткое множество, для обработки которых можно использовать теории американского профессора азербайджанского происхождения Лотифа Заде [9] и численные методы в программе Маткад [10].

 

Таблица 3 – Результаты тактильного опыта

Обозначение матриц	Показатели	Средние арифметические величины показателей группы экспертов
-матрица ингредиента 1	Содержание мг/100 г, а	20	21.4	23	25	27.2	28.6	30
	Средние оценки экспертов	0.12	0.32	0.68	0.88	0.82	0.38	0.06
- матрица ингредиента 2	Содержание мг/100 г, b	10	11.7	13.4	15	16.7	18.4	20
	Средние оценки экспертов	0	0.33	0.65	1	0.63	0.32	0
- матрица тактильной оценки	Время хранения в часах , h	0,5	3	12	24	48	72	96
	Средние оценки черствости экспертов	1	1	1	1	0.64	0.35	0

 

Мнения экспертов представляли собой степень принадлежностей: вкусно -1, почти вкусно -0.8, не очень вкусно – 0.3, невкусно – 0, а свежий - 1, довольно свежий - 0,8, черствоватый – 0,3,  черствый - 0. Поскольку экспертов 8 человек, то их оценки отличаются и в таблице уже приведены математические ожидания оценок экспертов. Для матрицы оценок µ1 применим функцию принадлежности в виде нормального закона распределения и программу Matcad 14. В обозначениях программы:

  (5)

где g – содержание ингредиента 1 в таблице,

A1 – статистическая дисперсия строки  g в таблице,

B1 – среднее арифметическое строки  g в таблице.

Расчет дал величины   В1=25.029,   А1=0.083.

Эксперименты по обратной деформации позволяют определить способность хлебобулочных изделий восстанавливать свою форму в зависимости от сроков и условий хранения. Так же, благодаря тактильному опыту, можно сопоставить мнение группы оценщиков с показателями изобретения для метареологических исследований, и в дальнейшем, определить оптимальные условия производства и хранения хлебобулочных изделий. Разнообразие эмпирических формул и неясность физико-химической природы эмпирических коэффициентов побуждают к поиску обобщенной модели очерствения и связи этой модели с процессами и аппаратами производства исследуемых объектов.

Список литературы / References

1. Азаров Б. М. Инженерная реология пищевых производств / Б. М. Азаров, В. А. Арет. – М.: МТИПП, 1978. – 112 с.
2. Арет В. А. Физико-механические свойства сырья и готовой продукции. Учебное пособие. // В. А. Арет, Б. Л. Николаев, Л. К. Николаев. — СПб.: ГИОРД, 2009. — 448 с.
3. Доня Д. В. Инженерная реология. Учебное пособие / Д. В. Доня, А. А. Леонов. – Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. Кемерово, 2008. – 123с.
4. Арет В. А. Реология и физико-механические свойства материалов пищевой промышленности. Учебное пособие/ В. А. Арет, С. Д. Руднев. — СПб.: ИЦ Интермедия, 2014. — 252 с.
5. Ибрагимова И. Е. Реология пищевого сырья, продуктов, полуфабрикатов. Конспект лекций / И. Е. Ибрагимова.– М.: Экон-Информ, 2010. – 144 с.
6. Реология. Краткий курс лекций для аспирантов направления подготовки 19.06.01 Промышленная экология и биотехнологии / Сост.: Н. Л. Моргунова // ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ». – Саратов, 2014. – 52 с.
7. Урьев Н.Б. Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов / Н.Б. Урьев // М.: Химия, 1988. 256 с.
8. Scott Blair G. Psychorheology / Scott Blair G // Journal of Texture Studies. – 1974. – Vol. 5. – P. 3 – 12.
9. Заде Л. Понятие лингвистической переменной и ее применение к принятию приближенных решений / Л. Заде. – М.: Мир, 1976. – 165 с.
10. 10. Яньков В.Ю. Лабораторный практикум по Маткаду. Модуль 3. Моделирование в Маткаде / В.Ю. Яньков. – М.: МГУТУ, 2009. – 68 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Azarov B. M. Inzhenernaya reologiya pischevyh proizvodstv [Engineering rheology of food production] / B. M Azarov, V. A. Aret. – M.: MTIPP, 1978. – 112 p. [in Russian]
2. Aret V. A. Fiziko-mekhanicheskie svojstva syr'ya i gotovoj produkcii. Uchebnoe posobie [Physico-mechanical properties of raw materials and finished products. Textbook.] / V. A. Aret, B. L. Nikolaev, L. K. Nikolaev. - SPb.: GIORD, 2009. - 448 p. [in Russian]
3. Donya D. V. Inzhenernaya reologiya. Uchebnoe posobie [Engineering rheology. Tutoria] / D. V. Donya, A. A. Leonov/ - Kemerovo technological Institute of food industry. Kemerovo, 2008. – 123 p. . [in Russian]
4. Aret V. A. Reologiya i fiziko-mekhanicheskie svoystva materialov pishchevoy promyshlennosti. Uchebnoe posobie [Rheology and physico-mechanical properties of the materials of the food industry. Textbook] / V. A. Aret, S. D. Rudnev/ - SPb.: Its Interlude, 2014. - 252 p. [in Russian]
5. Ibragimova I. E. Reologiya pishchevogo syr'ya, produktov, polufabrikatov. Konspekt lekciy [Rheology of food materials, products, semi-finished products. The abstract of lectures] / I. E. Ibragimova. - Moscow: Ekon-Inform, 2010. – 144 p. [in Russian]
6. Reologiya. Kratkiy kurs lekciy dlya aspirantov napravleniya podgotovki 19.06.01 Promyshlennaya ehkologiya i biotekhnologii [Rheology. A short course of lectures for graduate students of direction of training 19.06.01 Industrial ecology and biotechnology]/ Comp.: N. L. Morgunova // FGBOU VPO "Saratov state agrarian UNIVERSITY". – Saratov, 2014. – 52 p. [in Russian]
7. Ur'ev N.B. Fiziko-himicheskie osnovy tekhnologii dispersnyh sistem i materialov [Physico-chemical bases of the technology of disperse systems and material] / N. B. Uriev. - M.: Chemistry, 1988. 256 p. [in Russian]
8. Scott Blair G. Psychorheology [Psychorheology] / Scott Blair, G // Journal of Texture Studies. – 1974. – Vol. 5. – P. 3 – 12. [in USA]
9. Zade L. Ponyatie lingvisticheskoy peremennoy i ee primenenie k prinyatiyu priblizhennyh resheniy [The concept of a linguistic variable and its application to the adoption of approximate solutions] / L. Zadeh. - M.: MIR, 1976. – 165 p. [in Russian]
10. YAn'kov V.YU. Laboratornyy praktikum po Matkadu. Modul' 3. Modelirovanie v Matkade [Laboratory Matkade. Module 3. Modeling in Matkade] / MSUTM. - M., 2009. – 68 p. [in Russian]