СПОСОБ АКТИВАЦИИ ХЛЕБОПЕКАРНЫХ ДРОЖЖЕЙ Российский патент 2002 года по МПК C12N1/16 C12N1/18 A21D8/02 C12N1/18 C12R1/865 

Изобретение относится к хлебопечению, а именно к технологии активации прессованных и сушеных, в том числе инстантных дрожжей для приготовления дрожжевого теста.

Активацию дрожжей традиционно производят путем их адаптации к мучной среде. При этом, как правило, сначала приготавливают питательную среду, затем вносят в нее дрожжи и определенное время дают им адаптироваться. Питательную среду готовят в виде мучной суспензии, изменяя ее углеводный состав за счет внесения сахаров, не содержащихся в муке, либо осахаривания путем внесения ферментов, способствующих гидролизу крахмала муки.

Известны способы, характеризующие первую группу, к которым можно отнести, например, введение в состав питательной среды концентрата квасного сусла [1] , растворимого крахмала [2], натрийкарбоксиметилцеллюлозы [3] или глюмадина, полученного гидролизом крахмального молочка [4].

Ко второй группе относятся способы, в которых для гидролиза полисахаридов крахмала, необходимого при активации дрожжей, применяются ферментные препараты [5, 6], либо сырье, содержащее амилолитические ферменты, например, солод [7].

Достижению указанного ниже технического результата при использовании перечисленных способов активации дрожжей препятствует то обстоятельство, что для их осуществления требуется дополнительное сырье, не входящее в рецептуры хлеба. В отдельных случаях при использовании дополнительного сырья может наблюдаться ухудшение некоторых потребительских качеств, например, цвета, запаха или вкуса хлеба.

Активацию дрожжей также производят путем воздействия физическими факторами, способствующими дезинтеграции и гидролизу крахмала, а также повышению автолитической активности среды.

Самым простым способом активации дрожжей с использованием воздействия на среду физическими факторами является использование в качестве питательной среды мучной заварки [7]. Такую заварку получают нагревом водно-мучной суспензии либо приготавливают ее на воде с температурой, близкой к температуре кипения. Затем заварку охлаждают до 30-32^oС, вносят в нее дрожжи и дают им адаптироваться в течение некоторого времени при этой температуре.

В известном способе [8] дрожжевую суспензию интенсивно перемешивают, то есть воздействуют на нее механической энергией, а также воздействуют электромагнитным полем и насыщают кислородом.

Известен также способ активации дрожжей путем нагрева питательной среды, приготовленной на основе пшеничной муки, последующего ее диспергирования интенсивным перемешиванием и насыщения молекулярным кислородом [9].

Достижению указанного ниже технического результата при использовании этих способов препятствуют следующие обстоятельства.

В первом случае активация происходит вследствие того, что при повышенной температуре происходит клейстеризация крахмала муки и его частичное осахаривание за счет повышения активности собственных ферментов муки. При клейстеризации зерна крахмала набухают, но не диспергируются, а содержание амилаз в хлебопекарной муке невелико, поэтому эффект активации оказывается слабым.

Из применяемого в других перечисленных способах комплекса факторов только механическое воздействие может повлиять на дисперсность крахмальных зерен. А, как известно [10], основным фактором, влияющим на газообразующую способность муки и активность дрожжей, является удельная поверхность крахмальных зерен. Чем она выше, то есть, чем больше дисперсность крахмала, тем легче происходят физические, химические и биохимические процессы на границе раздела компонентов суспензии - жидкой среды и углеводной фазы. Такими процессами являются клейстеризация крахмала - переход его в растворимую форму, реакции гидролиза под действием амилаз, приводящие к появлению легко сбраживаемых сахаров, а также процесс брожения под действием бродильных ферментов дрожжей, приводящий к конечной цели - образованию углекислого газа, разрыхляющего тесто. Активность бродильного процесса или активность дрожжей, таким образом, зависит от результатов начального процесса - измельчения зерен крахмала. Ясно, что механическое диспергирование является низкоэффективным процессом дезинтеграции.

Известны способы активации дрожжей путем обработки дрожжевой суспензии и/или жидкого полуфабриката, приготовленного на дрожжах, а также дрожжевого теста энергией ультразвуковых колебаний [11, 12]. Диспергирование под воздействием ультразвука является наиболее эффективным из известных способов дезинтеграции [13].

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному является способ активации хлебопекарных дрожжей, путем обработки ультразвуком в кавитационном режиме жидкой опары - суспензии, содержащей в качестве фазы муку и дрожжи [14].

Причина, препятствующая достижению указанного ниже технического результата при использовании этого способа, принятого за прототип, следующая.

Безусловно, при воздействии ультразвуковых колебаний на суспензию, содержащую дрожжи, происходит стимулирование жизнедеятельности дрожжевых бактерий за счет механического разделения их скоплений с образованием отдельных жизнеспособных клеток, дающих начало новым колониям [15]. С другой стороны, известно, что ультразвук даже с энергией ниже, чем порог кавитации в жидкости, может иметь летальное воздействие на микроорганизмы с размерами дрожжевых клеток. Источниками ультразвука в жидкости могут являться акустические сирены, либо электроакустические (магнитострикционные или пьезокерамические) преобразователи. В любом случае ультразвуковая энергия распространяется в жидкости от локализованного источника. Поэтому объемная плотность энергии ультразвука оказывается в облучаемом пространстве неравномерной. У источника колебаний она всегда выше. То есть, в облучаемом объеме всегда существуют зоны, в которых дрожжевые клетки могут стимулироваться, а также области, в которых они могут и гибнуть. Таким образом, ультразвуковое воздействие на дрожжи надо рассматривать как два конкурирующих процесса, а получение положительного результата от такого воздействия требует практического решения оптимизационной задачи, связанной со многим числом факторов. Поэтому результаты использования такого способа являются слабо воспроизводимыми.

Ультразвуковая дезинтеграция, с помощью которой можно измельчить, частично гидролизировать крахмал питательной среды [l3, 15] для стимулирования дрожжей, происходит в области энергий выше порога кавитации, так как диспергирующим фактором является кавитационная эрозия [16]. Однако известно, что кавитационная эрозия является фактором, безусловно приводящим к летальному исходу микроорганизмы с размерами дрожжевых клеток. Таким образом, невозможно при воздействии на смесь, содержащую и питательную среду и дрожжи, одновременно получить эффект активации последних за счет изменения дисперсности и углеводного состава питательной среды без риска убить хотя бы часть клеток дрожжей. Это не позволяет при использовании известного способа, принятого за прототип, получить технический результат, являющийся задачей настоящего изобретения.

Задача настоящего изобретения состоит в обеспечении высокой бродильной активности дрожжей, позволяющей их экономить, снизить требования к их качеству без использования дополнительного сырья и ухудшения потребительских свойств производимого хлеба, не связанных с активностью дрожжей.

Решение указанной задачи при использовании изобретения достигается тем, что в известном способе активации дрожжей, предусматривающем приготовление мучной суспензии, внесении в нее дрожжей и ультразвуковую обработку, особенность состоит в том, что мучную суспензию обрабатывают ультразвуком до внесения в нее дрожжей при постоянном перемешивании. Кроме того, особенность способа заключается в том, что среднюю объемную плотность энергии ультразвуковой обработки выбирают в пределах от 150-1200 Дж/см³.

Известно, что акустическая кавитация, порождаемая высокоамплитудным ультразвуком, является мощным дезинтегрирующим средством, гораздо более действенным по диспергирующему эффекту, нежели механическое измельчение фаз суспензий при использовании различного рода мешалок. Также известно деполимеризующее действие ультразвуковой кавитации, в том числе на полисахариды [13, 15], приводящее к возникновению более простых сахаров (амилодекстринов, мальтозы). Вода под действием кавитации диссоциирует на ионы Н⁺ и ОН^- с последующим образованием Н₃О^-, Н₂О₂ и О₂, что способствует гидролизу сахаров крахмала и создает условия для активной жизнедеятельности дрожжей в том числе по кислотности среды. Кроме того, ультразвук деструктурирует воду, разрывая в ней водородные связи между молекулами, то есть, делает молекулы воды более активными при гидратации биополимеров муки.

Таким образом, энергия акустической кавитации дробит зерна крахмала у мучной суспензии, осуществляет частичную изотермическую клейстеризацию крахмала, а также гидролизует амилозу и амилопектин крахмала с образованием растворимых сахаров.

Известно также, что кальциевые соли, присутствующие в питьевой воде, идущей на приготовление суспензии, аморфизируются под воздействием ультразвуковой кавитации [17] . Это также способствует бродильной активности дрожжей [7] , так как эти минеральные соли, являющиеся необходимыми веществами для жизнедеятельности дрожжей, в аморфном состоянии становятся более подготовленными для усвоения последними.

Ультразвуковая обработка мучной суспензии дает еще один положительный эффект, заключающийся в повышении белизны теста, приготовленного с использованием этой суспензии. Дело в том, что при постепенном разложении перекиси водорода, образующейся при ультразвуковой обработке, выделяется кислород, который, как известно, обладает отбеливающими свойствами, в том числе при взаимодействии с пигментами муки.

Энергетические показатели ультразвуковой дезинтеграции крахмала определены исходя из следующих соображений. С одной стороны, известно, что разрушение твердых поверхностей в жидкости, где действует поле кавитации, происходит практически мгновенно [15]. С другой стороны, поле кавитации в объеме жидкости, куда излучается ультразвук, сильно неоднородно [18]. Поэтому необходимо определенное время и перемешивание суспензии (ротация ее внутри обрабатываемого объема) для того, чтобы вся она постепенно подверглась диспергированию. Известно также, что существует порог дисперсности, выше которого она не может быть увеличена при любой сколь угодно интенсивной обработке ультразвуком. Это связано с величинами градиентов давления и скорости колебаний среды во фронте ударных волн акустической кавитации, зависящих в основном от частоты ультразвуковых колебаний, акустических, а также гидро- и термодинамических параметров среды [16]. Однако при комплексной оценке достаточности ультразвукового воздействия в процессах дезинтеграции эти параметры могут быть с достаточной достоверностью заменены одним - объемной плотностью выделенной в среде энергии. Это будет доказано на конкретном примере ниже. Следовательно, энергия диспергирования мучной суспензии ограничена сверху. Опытным путем, который описан ниже, были установлены граничные значения объемной энергии диспергирования мучной суспензии.

При исследовании отличительных признаков описываемого способа заявителем не выявлено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся обработки ультразвуком питательных сред, на которых впоследствии активируются дрожжи.

На фиг. 1 точками показано дискретное множество результатов статистического компьютерного эксперимента по установлению вида функции Cr(q) (зависимость "критерия дезинтеграции" крахмала муки Сr от средней объемной плотности энергии ультразвукового воздействия q). Сплошной линией показан сглаживающий это дискретное множество кубический сплайн, полученный приближением его по методу наименьших квадратов. Пунктирными линиями показаны доверительные интервалы для сглаживающего полинома при 90%-ной вероятности.

На фиг. 2 точками показаны результаты опытов по исследованию газообразующей способности суспензии, состоящей из муки, дрожжей, активированных в соответствии с предлагаемым способом с различной дозировкой энергии. Сплошной линией показан график соответствующей регрессии G(q), полученной по методу наименьших квадратов. Пунктирной линией показано значение газообразующей способности аналогичной суспензии с добавлением такого же количества дрожжей и обработанной в соответствии со способом-прототипом.

Для изучения дезинтегрирующей способности ультразвука и подтверждения возможности осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, в том числе в сравнении с прототипом, в качестве технического средства использовалась лабораторная модификация ультразвуковой установки "Ультрамикс 630" ТУ 5131-001-01172039-96 [19, 20].

В качестве параметра, характеризующего степень дезинтеграции, включающего дисперсность и содержание растворимых cахаров, был использован "критерий дезинтеграции" - безразмерный тривиальный критерий подобия, составленный из значений замеров, осуществленных посредством интегрального анализатора ИНТАН [21].

Исследования проводились в следующем порядке.

Готовили водно-мучную суспензию из 50 г пшеничной муки второго сорта и 150 мл воды. Затем ее изотермически обрабатывали ультразвуком с плотностью мощности, превышающей порог кавитации, по схеме, выраженной следующей матрицей эксперимента:

где р_m, m[0,3] - объемная плотность мощности ультразвука [кВг/м³] из ряда 250, 375, 500 и 625;
t_n, n[0,4] - время обработки [с] из ряда 150, 300, 600, 1200 и 2400;
Cr(p,t) - значение "критерия дезинтеграции", получаемого в каждом опыте.

В обработанную суспензию добавляли 0,2 мл 5%-ного спиртового раствора йода. Декстрины, диспергированный крахмал и растворимая форма крахмала окрашиваются йодом в сине-голубой цвет, а нерастворимый крахмал при воздействии на него йодом не изменяет цвет последнего. Затем суспензию дозировали по 0,05 мл в анализатор ИНТАН. При каждой дозировке производили фотометрические измерения в режиме "контроль АЦП". Фотометрическая головка анализатора ИНТАН является турбидиметром с источником света узкого спектрального диапазона. Кроме того, анализатор является анизотропно-чувствительным прибором. Поэтому йодная реакция и дисперсность являются аддитивными параметрами анализа.

Значения критерия дезинтеграции вычисляли как:

где r₀(p,t), r_i(p,t) - значения показаний анализатора для холостой пробы и i-й дозы, соответственно, для обработанных ультразвуком суспензий;
r₀(0,0), r_j(0,0) - значения показаний анализатора для холостой пробы и j-й дозы, соответственно, для необработанной суспензия (контрольный образец);
k, l - количество доз до верхней границы определяемого анализатором содержания.

Полученное путем измерений и вычислений пространство значений критерия Сr подвергали двухмерной полиномиальной аппроксимации с коэффициентами:
θ_j,i=(Т^T'Т)^-1T^T[(P^TP)^-1P^TCr]^T,
где Р_mi=р_m ⁱ,T_nj=t_n ^j - регрессионные матрицы.

Сглаженная функция критерия, например, для i[0,3], j[0,1] и регрессионных коэффициентов

имеет вид:

где ε - тройное стандартное отклонение, равное 0,168.

По объемной плотности энергии q=pt, выделенной в обрабатываемых суспензиях для установления вида функции Cr(q), был поставлен компьютерный статистический эксперимент следующим образом. Набран массив размерностью i,

где P - гладкая область значений мощности от 250 до 675 кВт/м³;
Т - гладкая область значений времени от 150 до 2400 с, каждому значению которого поставлено в соответствие значение произведения соответствующих аргументов pt, равное объемной плотности энергии. Далее на точечной области Сr_i методом наименьших квадратов была построена регрессия, выразившаяся кубическим сплайном с коэффициентами (см. фиг.1):

Соотношение величин диапазона изменения критерия, равного 1,32, и стандартного отклонения регрессии, равного 0,13, дает возможность полагать, что в качестве параметра, характеризующего степень воздействия при ультразвуковой обработке питательных сред для стимулирования дрожжей, можно считать среднюю объемную плотность энергии, выделенную в обрабатываемой среде. Точечное множество значений Cr(q) имеет отчетливо выраженную нижнюю грань, поэтому при использовании этого параметра можно свести ошибки прогнозирования только к положительным значениям.

Вид графика функции Cr(q) подтверждает известную теорию двухступенчатой дезинтеграции крахмала, в соответствии с которой в зернах крахмала существуют два типа сил связи, разрывающиеся при различных энергетических уровнях воздействия [10].

Для сравнения результатов использования заявленного способа с прототипом были проведены исследования газообразующей способности суспензии, состоящей из муки, воды и дрожжей, активированных в соответствии со способом-прототипом и предлагаемым способом при различных энергиях воздействия. Активация дрожжей (их выдержка в обработанной среде при 32^oС) осуществлялась в течение 1 часа. Контроль осуществляли аналогично методу Яго-Островского.

Результаты сравнения приведены на фиг.2. Анализ графиков показывает, что в точке максимума функции G(q) активность дрожжей, активированных предлагаемым способом, выраженная в газообразующей способности, более чем в 2 раза выше, чем активность дрожжей, активированных способом-прототипом. Нижний предел средней объемной плотности энергии активации установлен из графиков фиг. 2, как значение q, при котором активность дрожжей, полученная с использованием предлагаемого способа, совпадает с активностью, полученной при использовании способа-прототипа. Эта величина составляет 150 Дж/см³. Верхний предел средней объемной плотности энергии активации очевидно соответствует максимуму G(q) и составляет 1200 Дж/см³.

При промышленной реализации способа может быть использовано любое техническое средство для обработки воды ультразвуком с плотностью мощности, превышающей порог кавитации, например, ультразвуковая установка экспресс-приготовления эмульсий для хлебопекарных производств типа "Ультрамикс 630", ТУ 5131-001-01172039-96. Она позволяет за одну загрузку смесительной емкости приготовить питательную среду для активирования количества дрожжей, необходимого для производства 100-140 кг хлеба.

Вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных в заявке или известных ранее средств, методов и устройств, а также о способности достижения указанного выше технического результата при воплощении совокупности признаков изобретения.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
При промышленной реализации способа может быть использовано любое техническое средство для обработки жидких сред ультразвуком с плотностью мощности, превышающей порог кавитации, например, установка экспресс-приготовления эмульсий для хлебопекарных производств типа "Ультрамикс 630", ТУ 513-00-01172039-96.

Ниже приведен пример активации дрожжей при помощи установки "Ультрамикс 630" и выработки на них хлеба по рецептуре "Батон нарезной из муки высшего сорта" безопарным способом.

Характеристики сырья приведены в таблице 1.

Рецептура изделий и параметры тестоприготовления приведены в таблице 2.

На Второй международной конференции "Качество пшеницы", проходившей в этом году в Манхэттенском университете (штат Канзас, США), авторами впервые доложено о разработке новых установок серии "Ультрамикс", излучатель самой мощной из которых обладает мощностью 4000 Вт (Shestakov S. et al. Technologies of Cavitation Decomposition in Bread Production, 2^-nd International Wheat Quality Conference, Manhattan, Kansas, USA, 2001).

Пользуясь приведенной выше формулой, можно показать, что реализации верхнего предела плотности энергии для обработки того же объема питательной среды для активации дрожжей в установке "Ультрамикс 4000" понадобится то же время:

при этом эффект активации дрожжей, выражающийся посредством газобразующей способности, будет приблизительно в 1,4 раза выше (см. фиг. 2 описания изобретения).

С другой стороны, если при использовании в качестве технического средства осуществления способа упомянутую установку "Ультрамикс 4000", оставить неизменным выбранное значение объемной плотности энергии w_об, равное 200 Дж/см³, а следовательно, и эффект активации, то за те же полчаса можно будет обрабатывать в шесть раз больший объем суспензии:

Полученные основные показатели качества хлеба, характеризующие активность дрожжей при реализации объемной плотности энергии обработки суспензии, равной 200 Дж/см³, приведены в столбце 4 таблицы 3. В столбце 3 таблицы приведены показатели для хлеба, выпеченного в аналогичных условиях без активации дрожжей. В столбце 5 в процентном отношении показана разница этих характеристик. В столбце 6 показана аналогичным образом рассчитанная разница, приведенная для подобного сравнительного опыта в описании прототипа на стр. 22 [Уварова И.А. Исследование влияния акустической обработки на качество жидких полуфабрикатов и хлеба из пшеничной муки. - Автореф. дис. на соиск. учен. степени канд. техн. наук. М.: 1979].

Сравнительный анализ показывает, что предложенный способ активации дрожжей осуществим, в том числе в производственных условиях и с применением существующих технических средств, и позволяет достигнуть лучшего технического результата, нежели прототип.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 657060.

2. Патент США 5147665.

3. Патент РФ 2031580, МКИ⁶ А 21 D 8/02.

4. Патент РФ 2038016, МКИ⁶ А 21 D 8/02.

5. Авторское свидетельство СССР 561547.

6. Авторское свидетельство СССР 448848.

7. Поландова Р.Д., Елецкий И.К., Демидов А.С., Дремучева Г.Ф., Джерембаева Н.Е. Способы активации прессованных и сушеных дрожжей на хлебопекарных предприятиях. Пищевая промышленность. Серия 27. Вып. 11. - М.: ЦНИИТЭИ Пищепром, 1984.

8. Авторское свидетельство СССР 704982.

9. Авторское свидетельство СССР 1489678.

10. Пшеница и оценка ее качества // под ред. Н.П. Козьминой и Л.Н. Любарского. - М.: Колос, 1968.- 496 с.

11. Авторское свидетельство СССР 563950.

12. Авторское свидетельство СССР 348189.

13. Эльпинер И.Е. Ультразвук. Физико-химическое и биологическое действие. - М.: ИФ-МЛ, 1963. - 420 с.: ил.

14. Уварова И.А. Исследование влияния акустической обработки на качество жидких полуфабрикатов и хлеба из пшеничной муки. - Автореф. дис. на соиск. учен. степени канд. техн. наук. М.: 1979.

15. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: ИИЛ, 1956. - 726 с.: ил.

16. Физика акустической кавитации в жидкостях /Г. Флинн. - в кн.: Методы и приборы ультразвуковых исследований // под ред. У. Мэзона. - М.: Мир, 1967, Т. 1, ч. "Б". - 362 с.: ил.

17. Использование акустических колебаний для интенсификации процессов обработки воды в системах водоподготовки // В.Ф. Боев. - в кн.: "Ультразвуковые технологические процессы - 98", Тезисы докл. науч.-техн. конференции. - М.: МАДИ(ТУ), 1998. - С. 73-76.

18. Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф., Кавитация. - М.: Мир, 1974. - 348 с. : ил.

19. ТУ5131-001-01172039-96, гос. рег. 012/002247. Ультразвуковая установка экспресс-приготовления эмульсий для хлебопекарных производств типа "Ультамикс 630".

20 Шестаков С.Д. Эмульсия в хлебопекарном производстве // Хлебопечение России. - 1996, 2. - С. 20-22.

21. Использование ультраакустических эффектов в жидкофазном суб- и ультрамикроанализе // С. Д. Шестаков. - в кн.: "Физика и техника ультразвука", Тезисы докл. науч.-техн. конференции. - С.-Пб ГЭУ, 1997. - С. 156-158.

Изобретение относится к хлебопечению, а именно к технологии активации прессованных и сушеных, в том числе инстантных дрожжей для приготовления дрожжевого теста. Способ состоит в приготовлении мучной суспензии, ультразвуковой обработке этой суспензии при постоянном перемешивании со средней объемной плотностью энергии ультразвука в ней в пределах 150 - 1200 Дж/см³, последующем внесении в нее дрожжей и их адаптации. Предложенный способ основан на использовании эффектов, порождаемых в мучной суспензии акустической кавитацией. Действие ультразвуковой кавитации на полисахариды приводит к возникновению более простых сахаров (амилодекстринов, мальтозы), легче сбраживаемых дрожжами. Диссоциация воды под действием кавитации способствует ферментному гидролизу сахаров крахмала, что благоприятствует активной жизнедеятельности дрожжей. Кальциевые соли аморфолизуются и становятся более усвояемыми для дрожжей. Ультразвуковая обработка теста также способствует повышению белизны теста. 3 табл., 2 ил.

Способ активации хлебопекарных дрожжей, предусматривающий приготовление мучной суспензии, внесение в нее дрожжей и ультразвуковую обработку, отличающийся тем, что ультразвуковой обработке подвергают мучную суспензию со средней объемной плотностью энергии 150-1200 Дж/см³ при постоянном перемешивании.