Исследование накопления органических кислот в хлебопекарных пшеничных заквасках типа 1 и в опарах длительного брожения

Наиболее распространенным биологическим разрыхлителем при производстве пшеничных хлебобулочных изделий в настоящее время служат прессованные дрожжи. При этом существуют технологии, предусматривающие использование пшеничных заквасок [1], которые в большей степени распространены в секторе рустикального хлебопечения. Хлебопекарные дрожжи и молочнокислые бактерии составляют основные группы технологической микрофлоры хлебопекарного производства. Наряду с эфирами, альдегидами, кетонами и другими соединениями они синтезируют органические кислоты: летучие (масляная, муравьиная, пропионовая, уксусная) и нелетучие (винная, малоновая, молочная, лимонная, изолимонная, фумаровая, яблочная, янтарная и другие). Роль этих органических кислот не ограничивается лишь снижением уровня рН или ростом титруемой кислотности полуфабрикатов (опары, закваски, тесто) в процессе брожения. Их влияние более сложное и комплексное не только на полуфабрикаты, но и на готовую продукцию (рисунок 1).

Органические кислоты | Organic acids

Стимулируют активность дрожжевых клеток (растет газообразующая способность) Stimulates yeast cell activity (increases gasforming capacity)

Увеличение гидрофильности белков, их набухания и пептизации

Increases protein hydrophilicity, swelling, and peptization

Ослабление клейковины (снижение газоудерживающей способности)

Weakening of gluten (decreases gas-holding capacity)

Увеличение срока годности | Extends shelf life

Повышение активности амилазы

Increases amylase activity

Повышение антимикробный свойств Increases antimicrobial properties

Улучшение вкуса | Improves flavor

Улучшение реологических свойств теста (эластичность, пластичность)

Improves dough rheological properties (elasticity, plasticity)

Увеличение удельного объема изделий Increases the specific volume of products Снижения уровня акриламида в хлебе Reduces acrylamide levels in bread

Лимонная Lemon

Яблочная Apple

Уксусная

Vinegar

Янтарная Amber

Молочная Milk

Винная Wine

приятный кислый вкус, усиливает кислотность и терпкость, формирует ощущение свежести Pleasant sour flavor, enhances acidity and astringency, creating a feeling of freshness придает мягкий вкус, делает вкусовой профиль более гармоничным Imparts a soft taste, making the flavor profile more harmonious придает характерный резко кислый привкус Imparts a characteristic sharply sour aftertaste сочетает кислый, соленый и горький оттенки вкуса Combines sour, salty, and bitter flavor notes мягкий кислый вкус (нивелирует резкость уксусной кислоты), характерный запах Soft sour flavor (balances the harshness of acetic acid), characteristic aroma терпкий кислый вкус с освежающим послевкусием Tart, sour flavor with a refreshing aftertaste

Фумаровая Fum

кислый фруктовый вкус Sour, fruity flavor

Рисунок 1. Роль органических кислот в технологии пшеничного хлеба

• Figure 1. The role of organic acids in wheat bread technology

Органические кислоты оказывают влияние на реологические свойства теста, активность амилазы, участвуют в формировании вкуса, аромата хлеба и структуры его мякиша, проявляя антимикробные свойства, способствуют повышению микробиологической чистоты продукции [2–5]. На потребительские характеристики хлеба существенное влияние оказывает соотношение молочной и летучих кислот. Su X. с соавт. показали, что, обеспечивая накопление в хлебе определенного уровня и соотношения органических кислот, можно корректировать качество продукции. Добиться лучших характеристик удельного объема хлеба и эластичности мякиша исследователям удалось при следующем содержании органических кислот в хлебе: 0,1% уксусной, 0,4% молочной, 0,3% лимонной, 0,3% яблочной и 0,3% фумаровой [6].

Chen A. с соавт. [2] проанализировали 20 коммерческих штаммов дрожжей Saccharomyces cerevisiae и установили, что по способности синтезировать лимонную, яблочную и уксусную кислоты они различаются в 2,35 раза. При этом синтез лимонной кислоты был относительно стабильным, а содержание яблочной и лимонной кислот в образцах хлеба отличалось в 3,99 и 1,99 соответственно.

Механизм влияния органических кислот на процесс структурообразования в тесте предложен Galal A.M. еще в 1978 году [7]:

органические кислоты снижают рН и протонируют анионы глютаминовой кислоты, что приводит к повышению положительного заряда макромолекул белка. Это приводит к увеличению внутри- и межмолекулярного отталкивания в белковых макромолекулах и ослаблению структурной прочности клейковины. В результате таких конформационных изменений белков снижается продолжительность замеса теста и величина энергозатрат на оптимальное развитие структуры.

В отношении способности органических кислот снижать образование акриламида в хлебе существую противоречивые данные. С одной стороны, установлено, что кислая среда препятствует реакции аспарагина с карбонильными группами восстанавливающих сахаров, тем самым препятствуя образованию промежуточных продуктов реакции Майяра, с другой, есть результаты исследований, в которых внесение химических подкислителей не влияло на количество акриламида в хлебе. [8]. Механизм влияния молочнокислых бактерий на уровень акриламида в хлебе включает физическую абсорбцию акриламида в клеточную стенку бактерий и выработку L-аспарагиназы [9].

В работе Wang Y. с соавт. [10] показано, что органические кислоты, образующиеся в процессе брожения закваски, способствуют повреждению крахмальных гранул. Следовательно, крахмальные гранулы становятся более податливыми действию амилаз, что, в свою очередь, приведет к накоплению сахаров, необходимых для жизнедеятельности молочнокислых бактерий и дрожжей.

Органические кислоты также играют важную роль в метаболизме углерода и энергетическом обмене микроорганизмов – представителей технологической микрофлоры, в осуществлении ими синтетических и диссимиляционных процессов.

Цель работы – оценка спектра и уровня накопления органических кислот в основных полуфабрикатах ремесленного хлебопечения – хлебопекарных пшеничных заквасках типа 1 и в опарах длительного брожения.

Объекты и методы

Объектами исследования служили пшеничные закваски типа 1 и опары длительного брожения (жидкие с DY200 и густые с DY160).

Жидкую и густую опары длительного брожения готовили по типу европейских пулиш и бига, для этого в качестве биологического разрыхлителя и источника технологической микрофлоры применяли прессованные хлебопекарные дрожжи в дозировке 0,5% к массе муки.

Перед использованием прессованные дрожжи смешивали с рецептурным количеством воды, затем добавляли пшеничную муку высшего сорта. Брожение жидкой опары (ОЖ) осуществляли при температуре 25–27 ºC, а густой (ОГ) – при 17–18 ºС в течение 12 ч.

Выведение контрольной закваски типа 1 (жидкой и густой) «с нуля» начинали с приготовления продукта брожения, для чего смешивали муку пшеничную хлебопекарную высшего сорта и воду питьевую, смесь инкубировали при температуре 25–27 ºC для жидких заквасок и при 17–18 ºС – для густых. По истечении 48 ч продукт брожения освежали двукратным (для жидкой закваски) или равным (для густой закваски) количеством питательной смеси. Такие освежения проводили через каждые 12 ч на протяжении 16 суток до получения заквасок с биотехнологическими характеристиками, пригодным для выпечки хлеба. На 17-е сутки контрольные образцы жидкой и густой закваски при возобновлении перевели на модифицированную питательную смесь, которую использовали для поддержания заквасок в активном состоянии в течение 9 месяцев. По истечении 9 месяцев отбирали образцы заквасок для исследования и замораживали для транспортировки в специализированную лабораторию. Всего вели 4 жидких закваски (Ж) и 4 густых (Г) закваски, различающихся составом питательной смеси, взятой для возобновления: Ж1 и Г1 – контрольные закваски из муки пшеничной хлебопекарной высшего сорта и воды; Ж2 и Г2 – введено 35% томатной сыворотки взамен воды; Ж3 и Г3 – введена амарантовая мука (ТУ 10.61.22–024– 77872064–2022) взамен 50% пшеничной муки; Ж4 и Г4 – введено 25% томатной сыворотки взамен воды и 25% амарантовой муки взамен пшеничной муки.

Органические кислоты (молочную, уксусную, яблочную, винную, янтарную, лимонную) определяли с помощью метода высокоэффективной жидкостной хроматографии на приборе Shimadzu LC-2030C 3D Plus.

Результаты и их обсуждение

Синтез органических кислот в процессе брожения полуфабрикатов хлебопекарного производства дает важную информацию об эффективности метаболизма молочнокислых бактерий и дрожжей. Результаты анализа показали присутствие в полуфабрикатах различных сочетаний органических кислот (рисунок 2).

В обеих опарах были выявлены уксусная и яблочная кислоты, а в густой опаре присутствовала также янтарная кислота. Общее содержание кислот в густой опаре ОГ составило 0,143%, что в 3,76 раза больше, чем в жидкой опаре ОЖ. Различие в количестве уксусной кислоты составило 1,5 раза, тогда как яблочной –

Zharkova I.М. et al. Proceedings of VSUET, 2025, vol. 87, no. 4, pp. 2,6 раза. Полученные данные свидетельствуют, что использование густой опары длительного брожения будет способствовать получению продукции с более выраженным вкусом.

В заквасках отмечена противоположная ситуация – суммарное количество органических кислот в жидких заквасках составило 0,720– 1,097%, тогда как в густых – 0,420–0,546%. Т. е. в жидких заквасках синтез органических кислот протекал в 1,7–2,0 раза активнее, чем в густых заквасках. В отличие от опар, ни в одном из образцов заквасок не была обнаружена яблочная кислота. В жидких заквасках присутствовали лишь три кислоты – молочная, уксусная и янтарная, тогда как в густой закваске Г3 дополнительно обнаружена винная кислота, а в заквасках Г2 и Г4 – лимонная. Известно, что лимонная кислота препятствует развитию нежелательной, в том числе гнилостной микрофлоры, практически не влияя на активность дрожжей [11]. Лимонная кислота присутствовала в образцах густых заквасок, в состав питательной смеси которых вводили томатную сыворотку. Вероятно, ее наличие в заквасках обусловлено присутствием в составе томатной сыворотки. Ранее нами было установлено, что в зависимости от сортовой принадлежности томатов содержание лимонной кислоты в томатной сыворотке колеблется от 4,46 мг/дм3 до 7,10 мг/дм3 [12]. При этом отсутствие лимонной кислоты в жидких заквасках с томатной сывороткой (образцы Ж2 и Ж4), возможно, связано с ее потреблением дрожжевыми клетками [13] или Lactiplantibacillus plantarum [14], что требует дополнительного изучения. Наличие лимонной кислоты способствует улучшению вкуса хлеба, его текстурных характеристик [14].

По данным [7] в хорошо выброженном полуфабрикате содержится в среднем 0,2–0,4% уксусной кислоты и 0,4–0,6% молочной кислоты. К такому уровню из проанализированных нами образцов наиболее близка жидкая закваска Ж2, тогда как в остальных образцах количество этих кислот существенно ниже.

milk            vinegar            apple          wine          amber      lemon

Рисунок 2. Характеристика органических кислот в образцах пшеничных заквасок типа 1 и опар Figure 2. Characterization of organic acids in samples of type 1 wheat sourdoughs and doughs

Для количественной характеристики вкусовых особенностей хлебопекарных полуфабри- катов, в первую очередь заквасок, применяют коэффициент ферментации (FQ) или коэффициент брожения. Этот коэффициент показывает молярное соотношение между молочной и уксусной кислотами:

FQ =

m мол. к. / М мол. к.

m/М укс. к.       укс. к.

где m мол.к . , m укс.к . – масса соответственно молочной и уксусной кислоты (г/100 г закваски), М мол.к. , М укс.к. – молекулярная масса соответственно молочной и уксусной кислоты (а. е. м.) [15].

Коэффициент ферментации связан со свойствами молочнокислых бактерий, доминирующих в процессе брожения заквасок, и заметно варьируется в зависимости от баланса между гомо- и гетероферментирующими лактобактериями. В свою очередь, этот баланс зависит также от экзогенных и эндогенных факторов, которые преобладают во время брожения закваски (например, концентрация сбраживаемого сахара и кислорода, DY, продолжительность брожения, температура) [15]. Считается, то более гармоничным вкус хлеба ощущается при диапазоне FQ от 3 до 5 [1].

В исследовании Jin J. с соавт. продемонстрировано, что в закваске, содержащей P. pentosaceus и S. cerevisiae , FQ составил 2,08–2,86, при этом хлеб обладал сбалансированными сенсорными характеристиками [16].

Характеристика коэффициента брожения проанализированных заквасок типа 1 представлена в виде гистограммы на рис. 3. Наибольшая вариабельность коэффициента брожения отмечена в группе жидких заквасок – в образце Ж3 (содержит амарантовую муку) FQ составил 5,1, тогда как в образце Ж4, содержащем комбинацию амарантовой муки и томатной сыворотки – лишь 1,3 (минимальное значение среди всех проанализированных образцов). Густые закваски Г1, Г2 и Г4 были более стабильны по этому показателю FQ составил 2,4–2,9, при этом резко выделялся образец Г3 (аналогично группе жидких заквасок) – FQ составил 4,5, что ниже значения в образце Ж3 лишь на 0,6 единиц.

liquid                 thick

Рисунок 3. Характеристика коэффициента брожения в образцах пшеничных заквасок типа 1

Figure 3. Characterization of the fermentation coefficient in samples of type 1 wheat sourdoughs

Известно, что осуществление брожения заквасок при более высоких температурах способствует преимущественному образованию молочной кислоты [17]. В нашем случае жидкие закваски велись при более высокой температуре, чем густые и накопление молочной кислоты в них было в 1,9–2,1 раза больше, чем густых. В связи с этим можно было бы предположить, что и FQ во всех образцах жидких заквасок будет выше, чем густых. Однако этого не произошло из-за высокого накопления в образцах Ж1, Ж2 и Ж4 уксусной кислоты. Уксусная кислота оказывает влияние не только вкус и запах хлеба, но и на реологические свойства теста. В исследовании Ramos Magalhães A.E. с соавт. введение 2% уксусной кислоты к массе муки в тесте привело к сокращению времени образования теста до 44% и снижению стабильности до 20% [18]. Уксусная кислота может способствовать деполимеризации белка в тесте: снижение pH активирует эндогенные протеазы муки, а увеличение суммарного заряда белков в кислой среде вызывает разворачивание белковых глобул и больший доступ к эндогенным протеолитическим ферментам. При исследовании с помощью конфокальной микроскопии образцов теста с добавлением уксусной кислоты авторы [18] наблюдали образованием более открытой и менее связной клейковинной сети, а на этапе исследования in vitro переваривания хлеба отметили снижение содержания иммуногенного глиадина, выявленное с помощью электрофореза в полиакриламидном геле (SDS-PAGE).

Кроме участия в формировании вкусового профиля хлеба, янтарная кислота обладает рядом важных биологических свойств. Так, она выступает ингибитором свободно-радикальных процессов перекисного окисления липидов, улучшает энергетический обмен в клетке, оказывает гиполипидемическое действие, снижает симптомы воспалительных и аллергических реакций, облегчает гормональную перестройку организма во время беременности, поддерживает активность иммунной системы [19]. В образцах жидких заквасок содержание янтарной кислоты составило 0,052–0,091%, что в 2,36–2,02 раза выше, чем в образцах густых заквасок. При этом среди образцов жидких заквасок различие составило 1,75 раза и отмечено возрастание количества янтарной кислоты по мере модификации питательной смеси – максимальное количество в образце Ж4 (питательная смесь содержит томатную сыворотку и амарантовую муку). Среди густых заквасок какая-либо взаимосвязь между составом питательной смеси и количеством янтарной кислоты не обнаружена. В образце густой опары ОГ содержание янтарной кислоты было на уровне жидкой закваски Ж2.

Заключение

Полученные результаты способствуют лучшему пониманию роли опар и заквасок типа 1 в формировании органолептических и физико-химических характеристик хлебобулочных изделий. Отмечены зависимости качественного от рецептурного состава полуфабрикатов хлебопекарного производства и режимов их приготовления. Для установления взаимосвязи между накоплением в заквасках типа 1 с томатной сывороткой и / или амарантовой мукой и качественным составом микробиома заквасок требуется проведение дополнительных исследований.

Финансирование

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-26-00275,

и количественного состава органических кислот