Биохимические процессы, протекающие при брожении ржаных заквасок и теста

24.10.2014

Сложный состав микрофлоры заквасок и теста обусловливает сложные биохимические процессы, протекающие в той или иной фазе приготовления ржаного хлеба. Степень разрыхленности готового продукта, его вкус и аромат, а также расход сухих веществ на сбраживание, зависят от многих факторов. Поэтому некоторые существенные вопросы технологии приготовления ржаного хлеба еще не окончательно разрешены. Исследования как советских, так и зарубежных ученых позволили наметить некоторые основные закономерности в биологических процессах, протекающих при брожении заквасок и теста из ржаной муки. Результаты исследований были использованы для разработки рекомендаций по применению прогрессивных технологических схем выработки хлеба.
Важнейшим фактором, определяющим ход биохимических процессов в ржаных заквасках и тесте, является видовой состав микрофлоры и его изменение с течением времени и в зависимости от условий внешней среды.
Спонтанное брожение как ржаного, так и пшеничного теста: вызывается бактериями семейства Enterobacteriaceal, в частности бактериями, сбраживающими сахара с образованием газообразных продуктов (углекислый газ и водород) и некоторого количества органических кислот (молочная, уксусная, муравьиная и янтарная). Характерным для этого брожения является накопление 2,3-бутиленгликоля (2,3-бутандиола).
Таким образом, спонтанное брожение проявляется в подъеме теста в результате выделения газообразных продуктов и некотором повышении титруемой кислотности. При последующем освежении спонтанно забродившего теста, т. е. при добавлении в него новых порций муки и воды, происходит постепенное изменение видового состава микрофлоры. Количество грамотрицательных бактерий группы Enterobacteriaceal снижается, а число грамположительных бактерий, относящихся к видам молочнокислых бактерий, закономерно повышается (рис. 83). Одновременно в этой среде начинают размножаться дрожжевые клетки, которые вначале присутствовали лишь в единичных экземплярах. Соответственно изменению видового состава микрофлоры изменяется и характер биохимических процессов, протекающих в освежаемой закваске. По мере развития бактерий молочнокислого брожения и вытеснения первоначальной микрофлоры спонтанно забродившего теста начинают преобладать продукты гомо- и гетероферментативного молочнокислого брожения, а количество 2,3-бутиленгликоля понижается. Следует отметить, что присутствие 2,3-бутиленгликоля в тесте осложняет количественное определение молочной кислоты. Если последнюю не изолировать от других продуктов брожения, то 2,3-бутиленгликоль, легко окисляющийся под действием перманганата в уксусный альдегид, подменяет собой, таким образом, молочную кислоту. Именно этим и объясняется тот факт, что при определении молочной кислоты в спонтанно бродящем тесте получаются завышенные цифры содержания последней. Причин смены микрофлоры спонтанно забродившего теста при его освежении, очевидно, несколько. Наряду с возможностью снижения развития бактерий группы Enterobacteriaceal вследствие накопления продуктов их обмена, несомненно, определенную роль играют и вещества антибиотического характера, выделяемые другими микроорганизмами. В частности, значительный интерес представляют исследования, показавшие наличие таких веществ в дрожжах и в мацерационном соке дрожжевых клеток. Сложность происходящих микробиологических и биохимических процессов, происходящих при брожении ржаных заквасок и теста, усугубляется еще и тем, что одни и те же виды микроорганизмов могут в значительной степени изменять характер своего обмена веществ. Так, еще Нейбергом было показано, что бактерии группы Coli при добавлении в бродящую среду глютатиона перестраивают свой ферментный аппарат таким образом, что начинают сбраживать глюкозу с образованием только молочной кислоты; поэтому изучать процессы брожения только по морфологическим признакам микроорганизмов нельзя.

Биохимические процессы, протекающие при брожении ржаных заквасок и теста

При сбраживании пировиноградной кислоты различными микроорганизмами получаются в зависимости от видов последних разные конечные продукты сбраживания — органические кислоты, этиловый спирт и углекислый газ. Для понимания происходящих в ржаных заквасках и тесте процессов следует представить более детализированную схему возможного превращения пировиноградной кислоты в присутствии дрожжевых клеток и молочнокислых бактерий гомо- и гетероферментативного типов (рис. 84).
В результате воздействия на пировиноградную кислоту ферментов дрожжевой клетки (декарбоксилирование и восстановление) происходит образование этилового спирта и углекислого газа как конечных продуктов и ацетальдегида как промежуточного продукта. Наряду с этим при восстановлении пировиноградной кислоты образуется молочная кислота, а при дисмутации — молочная и уксусная кислоты и углекислый газ. Какие именно из указанных процессов будут происходить и в каком соотношении— это, очевидно, зависит от ряда факторов. Можно предположить, что значительную роль будут играть условия обеспечения среды кислородом, концентрация субстрата и особенно температура, так как жизнедеятельность и дрожжей, и бактерий в большой степени зависит от этого фактора. Следует отметить, что обычные дрожжи развиваются при более низкой температуре, чем молочнокислые бактерии.
Необходимо остановиться на вопросе о соотношении молочной и уксусной кислот в ржаных заквасках и тесте. При исследовании стадий многоступенчатого сбраживания закваски и теста из ржавой обойной муки в производственных условиях было установлено, что при брожении в течение 24 ч эти кислоты образуются и эквимолекулярных количествах в соответствии с анаэробным превращением пировиноградной кислоты (рис. 85). Однако при анализе заквасок, теста и хлеба не было получено полного баланса кислот, содержащихся в водной вытяжке, и отдельно определенных молочной и уксусной кислот (табл. 120). На разных стадиях ведения закваски сумма этих двух кислот меньше, чем величина кислотности экстракта, в котором они определялись, а в тесте и хлебе — больше. По-видимому, в первом случае не были учтены какие-то другие кислоты, не вошедшие ни во фракцию летучих, ни во фракцию молочной кислоты; труднее объяснить, почему в тесте и особенно в готовом хлебе сумма молочной и уксусной кислот превышает общую кислотность водного экстракта. Остаток после экстрагирования водой заквасок или теста содержит довольно много кислореагирующих продуктов, природа которых пока не выяснена. Если брожение продолжалось более 24 ч, то изменялось соотношение молочная кислота: уксусная кислота; преобладала первая, что опровергает распространенное среди технологов мнение о преимущественном образовании при длительном сбраживании уксусной кислоты.
При повышении температуры брожения от 27 до 37° С соотношение образующихся кислот изменяется в сторону молочной кислоты.
Биохимические процессы, протекающие при брожении ржаных заквасок и теста

Добавление к бродящей закваске фтористого натрия изменяет соотношение молочной и уксусной кислоты в сторону последней, коэффициент соотношения изменяется с 3,5 до 1,5; возможно, что это обусловлено торможением фермента энолазы, вызываемым этим соединением. Углекислый цинк снижает количество образующейся уксусной кислоты; по-видимому, в этом случае исключается дисмутация пировиноградной кислоты при анаэробном образовании уксусной кислоты. Интересные результаты были получены при добавлении к закваскам углекислого кальция, который несколько снижает содержание молочной кислоты. Ho если из такой закваски изолировать молочнокислые бактерии гомо- и гетероферментативного типа, то они в чистых культурах будут давать почти исключительно молочную кислоту, коэффициент составит 22,6 и 23,1 соответственно; в данном случае ферментный аппарат гетероферментативных бактерий перестраивается преимущественно на гомоферментативный тип брожения. Эти данные еще раз доказывают, насколько пластичными являются микроорганизмы, вызывающие брожение ржаных заквасок.
Биохимические процессы, протекающие при брожении ржаных заквасок и теста

Большой интерес представляют исследования, проведенные с целью выяснения возможности ускорения процесса приготовления ржаного хлеба и изучения особенностей процесса сбраживания заквасок и теста при различных условиях.
Основой для этих исследований явились работы Ленинградской опытной лаборатории, показавшие возможность использовать для выработки ржаного хлеба чистых культур молочнокислых бактерий гомо- и гетероферментативных штаммов. Эти штаммы (штамм 8 и штамм 27, относящиеся к группе Б, по Селиберу, т. е. гетероферментативным, и штамм 6, относящийся к гомоферментативным молочнокислым бактериям) были использованы для получения густых заквасок, брожение которых проходило при повышенной температуре (35—37°С). Наряду с изучением состава микрофлоры освежаемых заквасок определялось общее содержание кислот, количество молочной и уксусной кислот, а также количество выделившегося CO2. Из готовых заквасок после 3—6 освежений было изолировано три типа бактерий, идентифицированных как кислото- и газообразователи. Следовательно, добавленные в исходную закваску бактерии гомофермеитативного типа в результате культивирования при повышенной температуре были заменены на бактерии гетероферментативного типа. Необходимо отметить, что в заквасках не было обнаружено дрожжевых клеток, что подтверждает ранее проводившиеся исследования Селибера, показавшие исчезновение дрожжей через ряд освежений заквасок, бродивших при высокой температуре. Спирт в изучаемых заквасках и тесте отсутствовал, так как не было в них возбудителей спиртового брожения.
Таким образом, выделяемый заквасками и тестом углекислый газ мог образоваться только в результате декарбоксилирования пировиноградной кислоты по уравнению
СН3СОСООН + О = CH3COOH + CO2.

Одновременно может происходить и восстановление пировиноградной кислоты до молочной по уравнению
CН3COCOOН + H2 = CH3CH (ОН) СООН.

Если суммировать эти два уравнения, то получим
Биохимические процессы, протекающие при брожении ржаных заквасок и теста

По этому уравнению можно подсчитать весовые соотношения между образовавшимися продуктами превращения пировиноградной кислоты и проверить, в какой степени фактические результаты соответствуют теоретическим данным, рассчитанным на основании молярных отношений уксусной (или молочной) кислот и углекислого газа. Для расчета использованы следующие данные:
1) на 1 моль уксусной кислоты (60 г) приходится 1 моль (44 г) углекислого газа, 1 мл которого при нормальном давлении весит 1,79 г. Отсюда следует, что 1 мг образовавшейся уксусной кислоты соответствует 0,70 мг углекислого газа или 0,37 мл;
2) за период брожения закваски при определенных условиях образовалось 150 мг уксусной кислоты, что соответствует выделению 55 мл углекислого газа. Фактически при этом было выделено 52 мл CO2. Следовательно, в данном случае имеется близкое совпадение фактически полученных данных с расчетными. Аналогичную проверку можно провести на основании соотношения молочной и уксусной кислоты; при сумме их, равной 100%, 60% приходится на молочную и 40% — на уксусную, что вытекает из расчета их молекулярных весов по приведенному выше уравнению: 90 + 60 = 150 и 150 : 90 = 100 : X, откуда X, т. е. процент молочной кислоты, составляет 60. Фактически полученное соотношение этих кислот при сбраживании закваски — 57% и 43%, т. е. очень близкое к теоретическому.
Таким образом, можно считать доказанным, что в данных конкретных условиях происходило гетероферментативное брожение с выделением эквимолекулярных количеств молочной и уксусной кислот и углекислого газа.
При других условиях, в частности при сбраживании жидких заквасок (влажностью 75%), наблюдаются более сложные количественные соотношения образующихся продуктов брожения. Если в густых заквасках, бродящих при повышенной температуре (35—37°С), дрожжевые клетки практически отсутствуют и этилового спирта не образуется, то в жидких заквасках, приготовленных на тех же штаммах молочнокислых бактерий, что и описанные выше, всегда имеются дрожжевые клетки, независимо от того, были добавлены дрожжи в разводочный цикл, или нет. Из данных табл. 121 видно, что после 15 освежений закваски без добавления дрожжей в ней обнаруживается уже заметное количество дрожжей, которое затем понижается, но остается на довольно стабильном уровне. В заквасках, к которым в разводочном цикле были добавлены дрожжи, количество их также снижается по мере освежения, но все же соотношение дрожжей к бактериям — выше, чем в первом случае. При наличии дрожжей в жидких заквасках идет спиртовое брожение и накапливается этиловый спирт, составляющий в конце процесса около 0,2% с. в. По содержанию уксусной кислоты и спирта можно рассчитать, какое количество углекислого газа выделяется заквасками за счет декарбоксилирования пировиноградной кислоты молочнокислыми бактериями и какое за счет спиртового брожения. Произведя аналогичные приведенным выше расчеты с учетом баланса спиртового брожения, получили, например, что за счет образования уксусной кислоты гетероферментативными бактериями закваски было выделено 14 мл углекислого газа, а за счет спиртового брожения — 98 мл (сумма 116 мл); фактическое же количество выделившегося углекислого газа—129 мл, т. е. на 10% больше.
Биохимические процессы, протекающие при брожении ржаных заквасок и теста

Изучение ржаных заквасок нескольких хлебозаводов Ленинграда изложенным методом позволило установить, что количество углекислого газа, выделившегося при образовании уксусной кислоты, колеблется в пределах от 6 до 14% от всего выделившегося углекислого газа. В описанных условиях, следовательно, в отличие от предыдущих, т. е. густой закваски, основное количество углекислого газа образуется за счет спиртового брожения.
Дальнейшие исследования позволили выявить ряд закономерностей, характерных для молочнокислого брожения заквасок без дрожжей. Как видно из данных табл. 122, соотношение газообразования и накопления летучих и нелетучих кислот и спирта колеблется в очень широких пределах в зависимости от влажности закваски. С понижением влажности закваски от 90 до 42% заметно повышается суммарная кислотность. Одновременно снижается и количество летучих кислот, содержание которых в наиболее жидкой закваске составляет 58% от суммарной кислотности. В данном случае это соотношение не соответствует схеме образования уксусной кислоты при окислительно-восстановительном превращении пировиноградной кислоты, по которой содержание уксусной кислоты должно составлять 40% от общего количества молочной и уксусной кислот. Очевидно, при этом наблюдается повышенное содержание кислорода в более жидкой среде, способствующее протеканию окислительных процессов, т. е. образованию больших количеств, уксусной кислоты. Действительно, при анализе заквасок было получено более высокое содержание кислорода в жидкой закваске по сравнению с более густыми.
Биохимические процессы, протекающие при брожении ржаных заквасок и теста

При влажности закваски 75, 50 и 42% количество летучих кислот стабилизируется и равно-25—30% От общей кислотности; эти величины ниже рассчитанной по уравнению образования уксусной и молочной кислоты из пировиноградной; в данном случае возможно усиливаются восстановительные процессы в среде с низким содержанием кислорода, в результате которых образуется этиловый спирт по уравнению
Биохимические процессы, протекающие при брожении ржаных заквасок и теста

Опыты подтвердили, что с понижением влажности и содержания кислорода в закваске резко повышается и накопление спирта. Количество образовавшейся уксусной кислоты в заквасках влажностью 50 и 42% (по количеству выделившегося углекислого газа) совпадает с фактическим количеством уксусной кислоты. По уравнению окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты
Биохимические процессы, протекающие при брожении ржаных заквасок и теста

должно было получиться 31,4 и 34 мг уксусной кислоты, а фактически обнаружено 34,2 и 36 мг. Для расчета процесса молочного брожения в ржаных заквасках может быть использовано уравнение окислительно-восстановительного превращения пировиноградной кислоты в молочную и уксусную кислоты и углекислый газ. Эти данные могут быть использованы, в частности, для расчета потерь сухих веществ за тот или иной период брожения или за весь процесс выработки хлеба.. Наличие дрожжей в закваске или тесте осложняет расчеты, так как углекислый газ в этом случае будет выделяться не только при образовании молочной и уксусной кислоты, но и этилового спирта.
Биохимические процессы, протекающие при брожении ржаных заквасок и теста

На интенсивность процесса брожения ржаных заквасок влияют условия выращивания молочнокислых бактерий. Так, из данных табл. 123 видно, что бактерии, выращенные на богатой питательными веществами среде (ячменное сусло, содержащее 12% с. в.), вызывают более интенсивное газообразование, чем бактерии, выращенные на мучной среде, бедной питательными веществами. Если, однако, в мучную среду внести комплекс витаминов В1, В2 и B6, то выращенные на ней культуры также вызовут интенсивное газообразование в закваске. Следует отметить, что условия выращивания бактерий на кислотонакопление влияют меньше, чем на газообразование (табл. 124). При добавлении в мучную среду комплекса витаминов B1, B2 и B6 относительное количество летучих кислот повышается почти в 2 раза. Эти данные показывают, насколько чувствительно реагируют молочнокислые бактерии как на условия внешней среды (влажность и температура), так и на наличие в ней биологически активных веществ.
Биохимические процессы, протекающие при брожении ржаных заквасок и теста

Результаты проведенных исследований позволили обосновать прогрессивные способы приготовления ржаного хлеба с применением повышенной температуры брожения, обусловливающей более интенсивное накопление молочной кислоты и более интенсивный автолиз белковых веществ и углеводов закваски и теста. При этом могут быть применены как густые закваски, полученные на культурах молочнокислых бактерий различных штаммов, так и жидкие закваски, в которые, кроме молочнокислых бактерий, добавляются также и дрожжи специально выделенных штаммов — сахаромицетов. При интенсивном брожении, достигаемом повышением температуры с 27 до 33—35° С, снижается расход сухих веществ (табл. 125) за счет сокращения общего периода брожения с 4,5 ч при температуре 26—28° С до 2 ч при температуре 32— 33° С, Кроме того, и количество муки, добавляемой в закваску, также влияет на интенсивность брожения и общий расход сухих веществ (табл. 126).
Биохимические процессы, протекающие при брожении ржаных заквасок и теста
Биохимические процессы, протекающие при брожении ржаных заквасок и теста

Наименьший расход сухих веществ отмечается при добавлении в закваску 28% муки по отношению ко всей муке в тесте и максимальной температуре брожения (33—34°С).
Наряду с этим для интенсификации брожения предлагается применять молочнокислую закваску без дрожжей оптимальной влажности 50% ; температура брожения закваски 36—39° С и теста — 30—32° С. Необходимо учитывать, что после 40—50 освежений газообразующая способность такой закваски снижается, поэтому рекомендуется при замесе теста добавлять жидкие дрожжи, приготовленные на обойной муке.
При исследовании микрофлоры ржаных заквасок, проведенном Ленинградским отделением ВНИИХПа, был изолирован из них 41 штамм молочнокислых бактерий как гомо-, так и гетероферментативного типа, обладающих некоторыми специфическими, свойствами, которые и отличают их от ранее применявшихся в производстве штаммов A6, В и В21. Биохимические свойства этих штаммов приведены в табл. 127, из которой видно, что группа молочнокислых бактерий А (по Селиберу, т. е. гомоферментативные) отличается более энергичным кислотообразованием и относительно меньшим накоплением летучих кислот; в культурах бактерий группы В (гетероферментативных) образуется меньше молочной кислоты и больше летучих кислот.
Биохимические процессы, протекающие при брожении ржаных заквасок и теста

Были также изолированы хроматографией на бумаге ди- и трикарбоновые кислоты — винная, янтарная и лимонная; содержание этих кислот, особенно лимонной, колебалось в широких пределах, но в среднем их суммарное содержание в культуральной жидкости и заквасках с применением гетероферментативных бактерий было значительно выше (7,0 и 4,7% от общей кислотности, соответственно). Способность к образованию летучих карбонильных соединений у бактерий группы А была примерно на 25% выше, чем у группы Б. С учетом технологических свойств этих штаммов были установлены наиболее подходящие комбинации их, при использовании которых был получен хлеб лучшего качества, чем при применении штаммов A6, B8 и B21. Данные о качестве хлеба из ржаной обойной муки, выпеченного на отдельных штаммах бактерий обоих групп при раздельном их применении, представлены в табл. 128. Лучший по качеству хлеб был получен при применении одновременно штаммов бактерий группы А и В, т. е. при одновременном гомо- и гетероферментативном брожении заквасок и теста. Следует отметить, что для лучшего подъема теста в закваску прибавляли дрожжи S. minor. Подобранные в оптимальном сочетании штаммы А63, B5, B78 достаточно устойчивы; высокое качество выработанного хлеба сохранялось в течение длительного срока (табл. 129) ведения закваски.
Биохимические процессы, протекающие при брожении ржаных заквасок и теста

Биохимические процессы, протекающие при брожении ржаных заквасок и теста

Ниже приводятся данные, характеризующие кислотообразование в чистых культурах молочнокислых бактерий разных групп при различных температуре и активной кислотности среды. На рис. 86 представлен ход накопления кислот в культуре молочнокислых гомоферментативных бактерий, относящихся к группе III (Lactobacillus plantarum) в широком диапазоне температуры; эти бактерии обеспечивают хорошее кислотообразование даже при 20° С, максимальное повышение общей кислотности достигается при 35° С. Для гетероферментативных бактерий группы VI характерно интенсивное образование кислых продуктов уже за короткий (5 ч) период брожения (рис. 87). Зависимость кислотообразования этими же группами бактерий от величины активной кислотности среды представлена на рис. 88 и 89, на которых показано отрицательное влияние высокой температуры в среде повышенной активности кислотности на процесс накопления кислых продуктов, как в случае гетероферментативного, так и в случае гомоферментативного брожения.
Биохимические процессы, протекающие при брожении ржаных заквасок и теста

Проведенные опыты по выработке ржаного хлеба на чистых, культурах изученных восьми групп бактерий показали, что высокое качество хлеба обеспечивается только в случае применения L. plantarum, L. brevis и L. fermenti, при длительном процессе ведения заквасок и опары. При сокращенном — одно- или двухфазном методе приготовления ржаного хлеба хорошее его качество обеспечивается только культурами L. brevis и L. fermenti. Опыты показали также, что наиболее устойчивым к поваренной соли является вид L. plantarum.
Биохимические процессы, протекающие при брожении ржаных заквасок и теста

Вышеприведенные данные свидетельствуют о широких возможностях улучшения качества хлеба при сокращенном периоде сбраживания заквасок и теста.
Далеко не все актуальные вопросы решены этими исследованиями. Дальнейшему изучению подлежат такие вопросы, как зависимость содержания ди- и трикарбоновых кислот, по-видимому, обусловливающих вкус продукта, от исходных свойств сырья и интенсивности брожения, вызываемого теми или иными штаммами молочнокислых бактерий. Представляют интерес данные, которые были получены при исследовании динамики содержания лимонной кислоты при брожении ржаного теста из ржаной муки разных выходов. Как видно из данных табл. 130, общее количество лимонкой кислоты в обойной муке значительно больше, чем в обдирной муке. Расход лимонной кислоты в процессе брожения идет тем интенсивней, чем больше бактерий находится в тесте; при длительном сбраживании (12 ч) содержание этой кислоты снижается до 1,8 мг на 100 г сухого вещества.
Биохимические процессы, протекающие при брожении ржаных заквасок и теста

В процессе брожения ржаного теста расходуются не только углеводы, но и органические кислоты, находящиеся в муке. Так, молочнокислые бактерии, кроме лимонной кислоты, используют также яблочную и янтарную кислоты. При добавлении солей яблочной кислоты в ржаное или ржано-пшеничное тесто повышается относительное содержание молочной кислоты в хлебе, эти соли не влияют на содержание уксусной кислоты. Добавление же цитратов стимулирует накопление как молочной, так и уксусной кислоты. По расчетам около 5—10% всего количества молочной кислоты, накапливающейся в ржаном тесте, образуется за счет лимонной кислоты, которая содержится в муке.
В ржаном тесте образуется кроме молочной и уксусной кислоты еще ряд органических кислот и их эфиров. В нем была обнаружена пропионовая кислота, обладающая специфическим и сильно выраженным запахом. Эта кислота может в какой-то степени обусловливать запах ржаного хлеба. К сожалению, до сих пор систематических исследований ржаных заквасок, теста и хлеба в этом направлении не проводилось. Недостаточно изучены также накапливающиеся в процессе брожения в заквасках и тесте карбонильные соединения. Определенное значение для технологии приготовления ржаного теста могут иметь данные, характеризующие состав отдельных фракций углеводов. Особый интерес представляет вопрос о пентозанах и продуктах их гидролиза, так как первые влияют на вязкость теста, а вторые — на процесс меланоидинообразования.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: