Брожение жидких полуфабрикатов

24.10.2014

Наиболее простые по своему составу полуфабрикаты, так называемые преферменты, применяемые в США с 1950 г., состоят из воды, сахара, прессованных дрожжей и различных нутриентов для дрожжей. Более широко используются в хлебопечении США и две другие рецептуры преферментов с добавлением обезжиренного сухого молока (предложена Американским институтом сухого молока) и с добавлением пшеничной муки. Ниже приводятся три рецептуры жидких полуфабрикатов.
Протекающие при брожении жидких сред биохимические и микробиологические процессы в последние годы подвергались обстоятельному изучению, полученные данные позволяют сделать выводы, имеющие актуальное значение для технологии хлебопечения.
Дрожжи на сбраживаемый субстрат начинают воздействовать немедленно после их внесения — образуются эквивалентные количества глюкозы и фруктозы. Это объясняется высокой активностью β-фрукто-фуранозидазы (сахаразы, инвертазы) дрожжевой клетки, локализованной непосредственно у клеточной мембраны и выделяемой во внешнюю среду сразу же после соприкосновения дрожжей с питательной средой. Применение метода хроматографии на бумаге позволяет констатировать исчезновение сахарозы и появление продуктов ее ферментативного гидролиза в бродящей среде уже через 5—8 мин после добавления суспензии дрожжей в префермент. Эта закономерность была подтверждена при изучении как различных рецептур преферментов, так и при исследовании брожения опарного и безопарного теста.
Вторая закономерность, имеющая также универсальное значение, обнаруженная именно в жидком полуфабрикате без добавления муки,— это избирательное сбраживание различных сахаров. Прежде всего сбраживается глюкоза, затем фруктоза. Мальтоза же в условиях префермента, не содержащего муки, в течение первых часов брожения не используется дрожжевыми клетками; это объясняется пониженной активностью α-глюкозидазы (мальтазы) дрожжевых клеток, выращенных на мелассе, и адаптированных, следовательно, к сбраживанию тростникового сахара.

При наличии в бродящем преферменте, кроме мальтозы, так же некоторого количества глюкозы дрожжи через некоторое время начинают использовать и мальтозу. В отсутствии глюкозы адаптация дрожжей к мальтозе идет значительно медленней, требуется не менее 2—3 ч, чтобы дрожжевые клетки выработав ли бы достаточное для гидролиза мальтозы количество α-глюкозидазы.
В обычных условиях брожения префермента без добавления муки или сухого молока выделение углекислого газа постепенно повышается, достигая максимума через 2—3 ч, а затем падает. Причин снижения интенсивности брожения может быть несколько в зависимости от конкретных условий — исчерпание сбраживаемых сахаров, недостаток биостимуляторов, накопление спирта или же очень сильное повышение активной кислотности среды.
Добавление к преферменту неорганических фосфатов оказывает определенное стимулирующее действие на брожение; выделение углекислого газа повышается (рис. 60). Больший эффект оказывает добавление в бродящую среду комплекса витаминов (тиамин, рибофлавин, инозитол, никотинамид, биотин, пиридоксин и пантотеновая кислота); эти стимуляторы роста дрожжевых клеток повышают выделение СО2 почти в 2 раза по сравнению с контролем (А).

Максимальная интенсивность брожения достигается при добавлении в префермент солей аммония, фосфата и витаминов; в этом случае в 4 раза повышается количество выделившегося углекислого газа с преферментом на одном только сахаре. Исключение витаминов из бродящей среды снижает количество CO2 примерно на 20%.
Значительно повышается интенсивность брожения при добавлении в префермент обезжиренного сухого молока, которое является не только хорошим источником азотистого питания дрожжей, но и доставляет им необходимые биологически активные вещества. Наряду с этим сухое молоко обладает еще некоторыми особенностями, о которых будет сказано ниже.
Добавление к жидкому полуфабрикату поваренной соли в количестве от 0,5 до 1,0% (по отношению к массе добавляемой затем муки) снижает выделение углекислого газа лишь незначительно, примерно на 5—10%. Более высокая концентрация соли уже заметно тормозит брожение.
Одновременно с выделением углекислого газа в бродящем преферменте начинает накапливаться этиловый спирт. Уже за первый час брожения концентрация его достигает 1,0% (по объему жидкости); максимальное содержание спирта, отмечавшееся за 5 ч брожения префермента, составляло 7—8%. Однако, если брожение лимитируется недостатком сбраживаемых сахаров, то наибольшее содержание спирта достигает только 3—3,5%.
Прямые опыты показывают, что в бродящем преферменте закономерно повышается суммарное содержание органических кислот (рис. 61). Хроматографический анализ позволяет идентифицировать в нем молочную и уксусную кислоты, составляющие большую часть всех веществ кислого характера.

Содержание молочной кислоты непрерывно повышается за все время брожения, тогда как количество уксусной кислоты достигает максимума на восьмой час брожения и затем остается на одном уровне (рис. 62). Соотношение этих кислот на второй час брожения составляет 60:40, т. е. преобладает молочная кислота. Кроме того, в бродящем проферменте обнаружена пировиноградная кислота, являющаяся важнейшим промежуточным продуктом углеводного обмена.

В связи с большим значением летучих органических кислот в формировании вкуса и аромата хлеба, в последнее время внимание исследователей было обращено на изучение этой фракции кислот, образующихся в процессе брожения. При помощи специально разработанной методики выделения летучих кислот и разделения их методом газовой хроматографии из бродящего префермента, состоящего только из дрожжей, сахара, соли и нутриентов, были извлечены и идентифицированы следующие органические кислоты (табл. 85). Хроматограммы экстрактов префермента представлены на рис. 63.

Как видно из приведенных данных, в результате шестичасового брожения префермента с дрожжами в среде накапливаются не только уксусная и молочная кислоты, но и пропионовая, масляная, каприловая и другие, обладающие резко выраженным запахом.

Кроме органических кислот, в преферменте обнаружены также некоторые альдегиды и кетоны. Эти вещества были идентифицированы рядом авторов методом бумажной хроматографии как в самой жидкой среде преферментов, так и в уловленных газах брожения (табл. 86).

На первом месте по количественному содержанию в преферменте стоит ацетальдегид, затем ацетон+пропионовый альдегид. Кроме того, в преферменте был обнаружен также этилацетат, содержание которого достигало максимума на восьмой час брожения, а затем сильно падало (рис. 64). По-видимому, некоторые из обнаруженных веществ являются промежуточными продуктами спиртового брожения (ацетальдегид, например), другие же образовались в результате жизнедеятельности отдельных микроорганизмов, находящихся в жидкой среде. Следует отметить, что уже в процессе брожения префермента в нем образуются вещества, которые играют заметную роль в формировании вкуса и аромата хлеба.
В результате спиртового и сопутствующих ему видов брожения повышается общая и активная кислотность бродящей среды. Естественно, что как общее содержание кислых продуктов, так и величина концентрации водородных ионов на разных стадиях технологического процесса будет зависеть от ряда факторов: продолжительности брожения, применения прессованных или жидких дрожжей, наличия или отсутствия веществ, обладающих буферной способностью, температуры бродильной камеры.
Изменение активной кислотности при брожении жидких полуфабрикатов, приготовленных по различным рецептурам, было изучено в последнее время довольно обстоятельно не только в лабораторных, но и в производственных условиях.
На основании многочисленных опытов, проведенных на хлебозаводе в течение 6 месяцев, было установлено, что наиболее сильное повышение активной кислотности (снижение величины pH) отмечается в случае брожения префермента без добавления муки и каких-либо других буферных веществ (рис. 65). Добавление в префермент муки резко стабилизирует величину кислотности, не допуская снижения рН ниже 5,5. Менее сильно стабилизирует величину активной кислотности добавление неорганической буферной смеси и обезжиренного сухого молока. Последнее является очень эффективным средством избежать резкого снижения pH при добавлении молока в количестве от 2 до 6% (рис. 66).

При этом, однако, следует учесть, что для получения на преферменте хорошего качества теста и хлеба необходимо повысить в определенных пределах общую и активную кислотность полуфабриката. Поэтому в дальнейшем влияние различных факторов на величину pH префермента сопоставлялось с качеством вырабатываемого хлеба; на графики наносили границы активной кислотности, в которых качество хлеба было нормальным. На рис. 67 видно, например, что прибавление 6% OCM настолько стабилизирует кислотность, что она не обеспечивает выработку хорошего хлеба. В этом случае рекомендуется добавление в префермент некоторого количества кислого фосфорнокислого кальция, который способствует повышению активной кислотности в желательных пределах.

Добавление поваренной соли также стабилизирует величину активной кислотности, по-видимому, в результате некоторого ингибирования выделения органических кислот при брожении.
Вторым компонентом, который может оказать положительное влияние на кислотность префермента и теста с добавлением большого количества обезжиренного сухого молока, является пищевая молочная кислота. По стандартам США добавление ее разрешается в количестве, которое не изменяет активную кислотность готового хлеба ниже pH 4,5. Для получения оптимального качества хлеба с 6% сухого молока рекомендуется добавлять к преферменту около 0,062% молочной кислоты по отношению к массе муки.
В итоге этих исследований была дана следующая схема изменения активной кислотности при непрерывном брожении префермента и теста, с обозначением зоны, в пределах которой получается высококачественный хлеб (рис. 68).

Выпеченный хлеб хорошего качества имеет активную кислотность в пределах pH 5,15—5,4. Более низкое значение pH свидетельствует об использовании слишком долго бродившего префермента, тогда как pH больше чем 5,4 получается при применении еще недостаточно выбродившего полуфабриката или при высоких дозах обезжиренного молока без соответствующего подкисления кислым фосфорнокислым кальцием или молочной кислотой.
Технологическое значение повышения кислотности, особенно концентрации водородных ионов, очень велико. Резкое повышение активной кислотности префермента является одной из причин снижения интенсивности спиртового брожения с течением времени (рис. 69). Максимальное выделение CO2 преферментом отмечается в пределах pH 4,5—4,0; при pH 3,5 брожение идет менее интенсивно. Эта величина активной кислотности достигается уже ко второму часу брожения, если в преферменте отсутствуют буферные вещества, и приблизительно в это же время начинает снижаться интенсивность выделения СО2.

Непосредственными причинами повышения активной кислотности жидкого полуфабриката является накопление в бродящей среде ряда органических кислот и растворения части углекислого газа в жидкости с образованием угольной кислоты. Наряду с этим возможно также образование кетокарбоновых кислот в результате использования дрожжевыми клетками аминокислот, это может наблюдаться только в случае присутствия в преферменте белковых веществ муки или сухого молока. Следует сказать также и о возможности освобождения неорганических кислот в результате ассимиляции дрожжами аммонийных солей, внесенных в качестве нутриентов.
Изложенный выше материал показывает, что даже в среде, содержащей только сахар и минеральные соли, добавление прессованных дрожжей вызывает не только спиртовое, но и достаточно интенсивно идущее молочнокислое брожение, а вероятно, и еще другие типы брожения. Фактически все виды микроорганизмов, сопутствующих дрожжам, находятся и в преферменте; Еще более обогащена микрофлора префермента, в рецептуру которого входит мука и сухое молоко. По данным Робинсона с сотр., жидкий префермент, приготовленный с добавлением свежесмолотой муки, уже сразу же после замеса характеризуется следующим видовым составом бактерий.

Из префермента, в который было добавлено обезжиренное сухое молоко, изолировали 12 видов бактерий.

Среди них встречаются бактерии, вызывающие как гомоферментативное, так и гетероферментативное молочнокислое сбраживание сахара; на основании данных хроматографии органических кислот префермента можно предположить, что в составе микрофлоры бродящего префермента имеются также и бактерии пропионовокислого брожения.
В связи с тем, что жидкий префермент является подготовительной фазой для приготовления теста, интересно было выяснить, происходит ли в этой фазе размножение дрожжей. Ряд исследователей отмечают, что в течение 2—6 ч брожения префермента количество содержащихся в нем дрожжевых клеток практически не изменяется. Вместе с тем в условиях жидкой среды, обогащенной солями аммония или белковым субстратом, в период наиболее интенсивного брожения 20—30% всех дрожжевых клеток находятся в состоянии почкования.
Заслуживают внимания данные некоторых авторов о влиянии «зрелости» дрожжей, находящихся в преферменте, на подъемную силу полуфабриката.
В опытах Ли и Геддеса из выбродившего префермента центрифугированием выделяли дрожжевые клетки, которые после промывки помещали в свежую культуральную жидкость; одновременно в такую же жидкость засевали свежие прессованные дрожжи, и на обоих образцах замешивали тесто и выпекали хлеб. В случае использования «зрелых» дрожжей, выделенных из префермента, объем хлеба получался значительно больше, чем в случае применения свежих дрожжей. Контрольный опыт с добавлением к старой культуральной жидкости, из которой дрожжи были удалены, свежих дрожжевых клеток показал, что повышенная подъемная сила полуфабриката обусловлена именно биологическими особенностями «зрелых» клеток, а не наличием в среде каких-то продуктов их обмена.
Для понимания связи дрожжей с другими микроорганизмами, находящимися в преферменте, представляют интерес наблюдения некоторых авторов, отметивших резкое падение количества бактерий уже за первые 2—4 ч брожения. Проведенные опыты показали, что это явление нельзя объяснить повышением активной кислотности среды. Подкисление префермента до pH 3,5—3,0 добавлением в него молочной кислоты не снижало количества бактерий. Накопление спирта до 6—8% (по объему) в жидкой среде также не препятствует жизнедеятельности бактерий, как это предполагалось ранее.
Объяснение этого явления было найдено в результате изолирования из культуральной жидкости, в которой находились дрожжи, специфического ингибитора развития бактерий. Этот ингибитор, полученный в концентрированном виде путем вакуум-сушки жидкости после удаления из нее дрожжевых клеток, препятствовал как росту бактерий в преферменте, так и росту культур.
Взаимосвязь между отдельными видами микроорганизмов в бродящем преферменте, жидких полуфабрикатах и тесте, несомненно, очень сложна и заслуживает тщательного изучения. Имеются данные о возможности подавления жизнедеятельности некоторых микроорганизмов добавлением в бродящее тесто культур других микроорганизмов, которые позволяют предложить биологические методы борьбы с болезнями хлеба. Наряду с этим, большое значение приобретает регулирование роста и жизнедеятельности нормальной микрофлоры, направление ее в сторону выработки продуктов, полезных с точки зрения технологии.
Эта проблема, к сожалению, почти не привлекала внимания исследователей, хотя ее значение для технологии хлебопечения очень велико.
Приведенные материалы, характеризующие ход брожения в жидком полуфабрикате, наиболее простом по входящим в него компонентам, позволяют сделать вывод, что спиртовое сбраживание углеводов добавленными культурами хлебопекарных дрожжей хотя и является доминирующим, по оно не может быть единственным типом брожения. Одновременно с ним в жидкой среде осуществляются и другие типы брожения, конечные продукты которых могут оказать как положительное, так и отрицательное влияние на технологический процесс.
Кроме этилового спирта, в результате жизнедеятельности дрожжевых клеток в бродящих мучных заторах всегда накапливаются в том или ином количестве высшие спирты — пропиловый, бутиловый, амиловый и изоамиловый, гексиловый и гептиловый. Эти спирты отличаются высокой точкой кипения, лежащей в пределах 97—176°С, и резким неприятным запахом. Являясь продуктами белкового обмена дрожжевых клеток, они неизменно сопутствуют спиртовому брожению и придают затору и спирту-сырцу неприятный запах так называемых «сивушных масел». Сведений о высших спиртах, накапливающихся в бродящем тесте, очень мало. В заметных количествах, по-видимому, находится в полуфабрикатах только амиловый спирт, но вполне возможно, что другие высшие спирты просто не были идентифицированы. При изучении продуктов брожения различных заторов из зерновых культур при спиртовом производстве в них были обнаружены следующие спирты:
1-пропанол (от 3,1 до 27,4% всех спиртов высших); 2-метил-1-пропанол (изоамиловый) (8,0—28%); 1-бутанол (0,1—0,5%); 2-метил-1-бутанол (гексиловый) (13,1—22,8%); 3-метил-1-бутанол (33,8—68,2%).
Качественно в бродящем преферменте были идентифицированы пропиловый, изоамиловый, изобутиловый, а также несколько диоловых спиртов — лево-2,3-бутандиол и мезо-2,3-бутандиол. Кроме того, обнаружен моноацетат 1,3-пропандиола.