Виды связи воды со структурными элементами муки и теста

Влагу коллоидных капиллярно-пористых тел, к которым отно­сится мука, тесто и хлеб, в зависимости от величины энергии свя­зи можно разделить на четыре вида химически связанная, адсорбционно-связанная, капиллярно-связанном и осмотически удерживаемая.

Химически связанная вода обладает высокой энергией связи с материалом (8-10)-10³ Дж. Она представлена в виде гидроксильных групп, образующихся в результате химической реакции -гидратации.

Адсорбционное связывание влаги обусловлено полярным взаимодействием молекул воды с макрочастицами белков и крахмала теста.

Полярность воды проявляется несимметричным расположени­ем в ее молекуле кислорода и двух атомов водорода, каждый из которых сохраняет небольшой положительный заряд. Атом ки­слорода удерживает два слабых отрицательных заряда, с их по­мощью притягивает атомы водорода соседних молекул воды. Возникающие водородные связи образуют соединение воды с другими заряженными частицами теста, чаще всего с атомами азота или кислорода молекул белка и крахмала.

В результате коллоидные частицы покрываются полимолеку­лярным силовым полем по лиофильным группам у поверхности раздела частиц-мицелл с окружающей средой. Эта жидкость вхо­дит в общее количество влаги набухания и называется связанной влагой.

Поверхностные слои коллоидных частиц, обладая свободной потенциальной энергией, при контакте о водой адсорбируют ее, выделяя при этом тепло, образовавшееся в результате перехода потенциальной энергии в тепловую. Такой процесс поглощения влаги называется гидратацией, а выделяющаяся энергия - тепло­той гидратации.

Поверхность коллоидных тел может адсорбировать влагу в ви­де жидкости и пара. Водяной пар при адсорбционном поглоще­нии сжимается и превращается в жидкость, причем процесс ад­сорбционного поглощения происходит не только на внешних, но и на внутренних поверхностях.

Начальный этап сорбции веществом водяного пара заключает­ся в притяжения молекул водяного пара молекулами на поверх­ности тела. Образуется первый слой сорбированной влаги тол­щиной в одну молекулу - мономолекулярный слой. Молекула во­ды в мономолекулярном слое теряет свою подвижность и, будучи тинолем, притягивается к точке сорбции одним из своих концов, несущих заряд. Мономолекулярный слой, используя свободную поверхностную энергию вещества, на своей наружной стороне образует новое силовое поле. В результате свободная поверхностная энергия вещества смещается с поверхности тела на толщину мономолекулярного слоя воды. Мономолекулярный слой сорбирует второй слой молекул воды, который в свод очередь третий и т.д. По мере удаления от точки сорбции величина энергии связи уменьшается и нарушается построение диполей воды

Рис. 1. Адсорбционная связь влаги биополимером

Обязательным условием образования адсорбционных слоев является присоединение к полярным точкам вещества (рис) активного кислорода. Известно, что улучшители окислительного действия повышают водопоглотительную способность теста, прежде всего тем, что способствуют переносу активного кислорода к точкам сорбции и позволяют построению новых цепей диполей воды. Это объясняет то, что участие каждого окислителя в тесте специфично, так как связано как с числом полярных точек на биополимере, так и возможным количеством активного кислоро­да в препарате.

Гидратация есть процесс присоединения адсорбционной влаги, а гидратационная влага есть мера адсорбционной влажности. Влага в адсорбционном слое находится в уплотненном состоя­нии, она не является растворителем, имеет плотность больше единицы, ее диэлектрическая постоянная меньше, чем у свобод­ной влаги. Достигнув предела гидратационного поглощения вла­ги, коллоидные тела продолжают процесс присоединения влаги, но уже под влиянием не полярных сил, а сил осмотического дав­ления.

Осмотическое поглощение влаги вызывается наличием внутри коллоидной частицы водорастворимых веществ. Разность кон­центраций на границе дисперсных фаз создает разность осмоти­ческого давления, под воздействием которого влага проникает внутрь коллоидной частицы. Поглощение влаги таким путем на­зывается сорбцией, или набуханием. Сорбционная влага состоит из влаги осмотической и имобилизированной, т.е. захваченной структурой, образующей вместе с адсорбционной влагой сольватную оболочку вокруг частицы. Поглощение влаги набухания происходит без выделения тепла и концентрации (сжатия систе­мы), но вызывает увеличение объема и изменяет давление набу­хания.

Помимо адсорбционно и осмотически поглощенной влаги в коллоидных капиллярно-пористых материалах может находиться капиллярная влага, удерживаемая силами макро- и микрокапил­ляров. Вода, удерживаемая этими силами, обладает незначитель­ной энергией связи о материалом, обусловливаемой силами по­верхностного натяжения. Этот вид воды называется свободной влагой.

Большинство компонентов муки обладает свойствами полу­проницаемости. Внутри клеток находится растворимая фракция, которая не способна пройти через стенку ячейки. Когда концен­трация растворимой фракции внутри ячейки больше, чем за ее пределами, вода проникает внутрь ячейки, диффундируя через стенки.

Для клеточной мембраны характерна избирательная прони­цаемость - мембрана "сортирует" вещества: одни легко проника­ют другие с трудом или совсем не проникают. Предполагается, что в мембране содержатся ферменты, способные гидролизовать сложные вещества, подготавливая их к прохождению мембраны.

Механизм проникновения осмотической воды в элементы муки отличается от коллоидной системы. В биологическом организме проникновение воды идет не только по классическим законам физики, но и с учетом биологических особенностей клетки. Ос­мотическая вода, проникая в клетку, изменяет свою форму и свойства. Она становится составной частью цитоплазмы и клеточного сока, заполняющего вакуоли, затем вступает в различ­ные физические и химические взаимодействия с компонентами клетки. Все сложные превращения внутри клетки происходят с участием воды.

Для гидролитических процессов, протекающих в тесте в период замеса, брожения, расстойки и выпечки, а также при хранении хлеба, необходимо присутствие вода, способной вступать в хи­мические реакции, т.е. свободной.

В пшеничном тесте нормальной консистенции содержится около 0,29 г связанной воды на 1 г сухого вещества, что соответствует 35 % всей массы воды, находящейся в тесте. Свободная вода появляется при влажности водно-мучной смеси 24,0 %. По­вышение влажности теста до 59,5 % не приводит к увеличению сдержания связанной в нем воды.

Количество связанной воды в тесте зависит от силы муки, Энергия связывания воды уменьшается с ростом содержания белка и увеличивается с повышением числа механически повре­жденных зерен крахмала и растворимых пентозанов. Количество связанной воды (0,33 г на 1 г СВ) практически одинаково в тесте из сильной, хлебопекарной муки высоко стекловидных пшениц и слабой муки из низко стекловидных пшениц. Таким образом, способность белковых веществ и углеводов связывать не зависит от хлебопекарных свойств. В тесте на пшеничной муки около 65 % всей добавленной воды находится в свободном состоянии участвует в биохимических реакциях.

Ведущая роль в образовании пшеничного теста с присущими ему свойствами упругости, пластичности и вязкости принадле­жит белковым веществам муки. Вода способна связываться и по­глощаться белковым веществам теста в 2-2,5 раза больше их мас­сы. Из этого количества вода менее четверти связывается адсорбционно. Остальная вода впитывается осмотически, что приводит к набуханию и резкому увеличению объема белков в тесте.

В тесте имеется свободам вода, не связанная адсорбционно крахмалом, белками и частицами оболочек зерна.

Жидкая фаза имеет конкретное значение в технологическом процессе. Для разделения жидкой и плотной фаза теста на ряд резко разграниченных слоев используется метод ультрацентри­фугирования. Выход жидкой фазы колеблется от 8 до 37 % в за­висимости от качества муки, продолжительности замеса. При обычном замесе он составляет около 20 % массы теста, а про­должительный замес уменьшает это значение до 11 %.

Важное значение для технологий имеет высокая вязкость жид­кой фазы, равная около 40 Па∙с. При автолизе она быстро пони­жается вследствие гидролиза растворимых пентозанов при одно­временном повышении содержания восстанавливающих сахаров.

Для выявления роли жидкой фазы теста в задержке углекисло­го газа при брожении была изучена стабильность пены, обра­зующейся при пропускании пузырьков газа (азота) через ее слой. Эта величина характеризуется скоростью оседания пены, нахо­дящейся в цилиндре, и выражается временем оседания до 1/2 его высоты. Стабильность пены зависит от наличия липидной фрак­ции, присутствие которой понижает ее устойчивость. Высокая устойчивость пены соответствует большему объему и тонкой, равномерной пористости мякиша хлеба. Следовательно, жидкая фаза теста определенно влияет на формирование структуры гото­вого продукта.