РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧЕРСТВОСТИ ИЛИ СВЕЖЕСТИ ХЛЕБОБУЛОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Черных В.Я¹., Кононенко В.В²., Максимов А.С³.

¹ФГАНУ «Научно-исследовательский институт хлебопекарной промышленности» (ФГАНУ НИИХП), Россия,107553, г. Москва, ул. Большая Черкизовская, д. 26а.
E-mail: polybiotest@rambler.ru;

²ФГБУН «Институт биологического приборостроения с опытным производством РАН» (ИБП РАН), Россия,142290, Московская область, г. Пущино, ул. Институтская, д. 7. 
E-mail: ibp@ibp-ran.ru;

³ФГБОУ ВО «Московский государственный университет пищевых производств» (ФГБОУ ВО МГУПП), Россия, 125080, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 11. 
E-mail:maksimov@mgupp.ru;

    Введение. По существующим стандартам контроль качества хлебобулочных изделий осуществляется по органолептическим и физико-химическим показателям.

    При органолептической оценке определяются показатели, характеризующие: внешний (товарный) вид изделий; состояние мякиша; внутреннее состояние структуры; вкус и запах.

    Из физико-химических показателей у всех видов хлебобулочных изделий определяются: влажность, титруемая кислотность и пористость; содержание сахара и жира в пересчете на сухое вещество (для хлебобулочных изделий, в рецептуру которых входит сдоба); массовая доля начинки, % к массе изделия (для сдобных изделий с начинками); намокаемость (для сухарных, бараночных и других видов изделий с влажностью менее 19%); содержание соли, йода, сорбита, белковых и других веществ (для диетических изделий, в частности соли – для ахлоридных хлебобулочных изделий).

    При органолептическом контроле качества хлебобулочных изделий применяется интегральный  показатель «текстура» [1,2], который включает в себя комплексную оценку реологического поведения мякиша хлеба человеком  при надавливании, откусывании, разжевывании и проглатывании.

    При надавливании оцениваются показатели твердости и эластичности, которые используются потребителем в первую очередь при оценке степени свежести или черствости хлеба.

  Существенным недостатком органолептической оценки показателей текстуры мякиша, особенно на хлебопекарных предприятиях, является отсутствие цифровых значений, которые бы однозначно позволяли классифицировать структурно-реологическое поведение мякиша применительно к тому или иному виду хлебобулочных изделий. Инструментальный контроль показателей твердости и эластичности может быть реализован с помощью приборов пенетрометров или текстуроанализаторов [3,4].

    Существует международный стандарт ААСС 74-09.1 для объективного определения твердости мякиша, как показателя черствости, контролируемого с использованием текстуроанализатора, который в цифровой форме выдает значение усилия нагружения на цилиндрическом инденторе при его внедрении на определенную глубину в приготовленный ломоть хлеба [5]. Недостатком этого стандарта является отсутствие контроля эластичности мякиша после снятия нагрузки.

    При большом ассортименте вырабатываемых хлебобулочных изделий трудоемким является процесс установления абсолютных критических значений показателей текстуры для каждого вида изделий, что требует установление относительных показателей – критериев, которые можно было бы распространять на разные группы и виды хлебобулочных изделий, что возможно при условии разработки математических моделей процесса черствения мякиша.

    Поэтому, для хлебопекарной промышленности Российской Федерации актуальной задачей является проведение комплексных исследований структурно-механических характеристик мякиша (показателей текстуры) различных групп и видов хлебобулочных изделий и создание объективной системы оценки состояния структуры мякиша хлеба после выпечки и изменения её в процессе хранения, обусловленного протеканием процесса черствения, что позволит решать задачи по формализации структурных изменений в мякише при хранении иформированию требований к критическим точкам показателей текстуры хлебобулочных изделий, что в свою очередь будет способствовать соблюдению  или выявлению нарушений технологии процесса их производства, а при необходимости установлению фальсификации даты изготовления готовой продукции, поставляемых в торговую сеть.

    Целью настоящей работы является разработка метода контроля показателей текстуры мякиша хлеба: твердости и  эластичности с использованием отечественной информационно-измерительной системы, включающей прибор-текстуроанализатор и создание критериев и установление их критических точек на основе формализации процесса черствения  для хлеба из ржаной муки и её смеси с пшеничной [6].

    Объекты и методы исследования. Для отработки метода контроля показателей текстуры мякиша использовали: хлеб Ржаной и хлеб  Дарницкий, а также прибор-текстуроанализатор «Структурометр СТ-2» и индентор «Цилиндр Ø36» (см. рис.1), используемый в международном стандарте ААСС 74-09.1.

    Показатели качества хлеба Ржаного, массой 0,70 кг и хлеба Дарницкого, массой 0,70 кг соответствовали требованиям: ГОСТа 26983-2015 «Хлеб Дарницкий. Технические условия» и  ГОСТа 2077-84 «Хлеб Ржаной из обдирной муки формовой. Технические условия» соответственно.

     
Рисунок 1 – Информационно-измерительная система для определения
показателей текстуры  мякиша хлебобулочных изделий, включающая прибор «Структурометр СТ-2».

    Для проведения работы от партии каждого вида хлеба отбираются по 10 изделий, продолжительность хранения которых после выпечки составляет 5ч, первые два изделия (буханки) сразу используются для проведения экспериментов, а остальные после упаковки  помещаются на хранение и затем ежедневно в течение 4 суток отбираются также по два изделия и эксперименты повторяются.

    В соответствии с требованиями стандарта ААСС 74-09 определение показателей текстуры мякиша осуществляется в локальной зоне ломтя хлеба. При этом расстояние от края индентора до корки у разных видов хлебобулочных изделий бывает разным, что сказывается на точности контролируемых показателей.

    Поэтому в настоящей работе при определении твердости и эластичности, а также твердости и остаточной эластичности мякиша после релаксации напряжений использовали ломоть хлеба  толщиной 25 мм не целиком, а вырезали из  него образец, с помощью пробника, диаметром 36 мм (см. рис.2).

Рисунок 2 – Подготовка пробы мякиша цилиндрической формы

    Далее  проба мякиша с диаметром 36 мм и высотой 25 мм вставляется в кольцо, которое затем устанавливается на столик прибора под индентором «Цилиндр Ø36» (см. рис.1).

    Комментарии к разработанным методикам:

• Методика №1. Определение твердости (F_max, г) и эластичности мякиша (Δh_эл) основано на установлении усилия нагружения на инденторе «Цилиндр Ø36» при сжатии с его помощью цилиндрической пробы мякиша на 25% (h_общ=6,25 мм)  от его высоты, а также контроле изменения усилия нагружения на инденторе при его реверсивном движении и установлении значений упругой (h_упр, мм) и пластической (h_пл, мм) деформаций мякиша и расчете его эластичности (Δh_эл= h_упр / h_общ) - (см. табл. №1);
• Методика №2.Определение твердости (F_max, г) и остаточной эластичности (Δh_эл) мякиша после релаксации напряжений основано на установлении усилия нагружения (F_max, г) на инденторе «Цилиндр Ø36» после сжатия с его помощью цилиндрической пробы  мякиша на 25% (h_общ=6,25 мм)  от его высоты, а также контроле изменения усилия нагружения на инденторе при его фиксированном положении индентора (h_общ=6,25 мм) в течение времени релаксации напряжений (τ_рел = 180с) с установлением после релаксации усилия нагружения (F_min, г) на индероре и его реверсивном движении и установлении значений упругой (h_упр, мм) и пластической (h_пл, мм) деформаций мякиша и расчете его остаточной эластичности (Δh_эл= h_упр / h_общ) - (см. табл. №2 ).

    Проведение экспериментов и анализ результатов. Алгоритм определения показателей твердости и эластичности  мякиша хлеба Ржаного и хлеба Дарницкого состоит в следующем. После установки кольца с пробой мякиша на столик прибора нажимается кнопка «V» вниз, после чего тензобалка с индентором движется с малой скоростью и на расстоянии в пределах 5 мм от верхнего края кольца останавливается (при отпускании кнопки «V»), затем кольцо с мякишем вручную поднимается вверх так, чтобы индентор вошел во внутрь кольца на 5-7 мм, далее опять нажимается кнопка «V» и вместе с движением индентора вниз опускается и кольцо, при этом расстояние от поверхности мякиша до индентора составляет 7-10 мм. В результате индентор находится внутри кольца, кольцо стоит на столике и индентор не касается пробы мякиша. После этого нажимается кнопка «СТАРТ», для реализации предварительно выбранного режима работы прибора.       

    Таблица №1 – Режим работы прибора «Струтурометр СТ-2» при определении
показателей твердости и эластичности мякиша по методике №1

Таблица №2 – Режим работы прибора «Струтурометр СТ-2»
при определении показателей твердости и остаточной эластичности мякиша
после релаксации напряжения по методике №2

     На рис. 3 и 4 приведены диаграммы динамики и кинетики усилия нагружения на инденторе «Цилиндр Ø36» при определении показателей текстуры мякиша хлеба Ржаного и хлеба Дарницкого с разной продолжительностью хранения после выпечки.

Рисунок 3 – Динамика (а) и кинетика (б) усилия нагружения на инденторе «Цилиндр Ø36»
при определении показателей твердости и эластичности мякиша при разных значениях
продолжительности хранения хлеба Ржаного (Рж) и Дарницкого (Дар) после выпечки: 5ч; 29ч; 53ч; 77ч и 101ч.

    Значения  показателей текстуры мякиша хлеба, полученные по методике №1 (см. рис. 3) сведены в таблицу №3.

Таблица №3 – Значения показателей: твердости (Fmax), деформационных характеристик (hобщ, hупр, hпл)
и эластичности (Δh) для мякиша хлеба Ржаного и хлеба Дарницкого с разной продолжительностью хранения.

  Значения показателей текстуры мякиша хлеба, полученные по методике №2  (см. рис. 4) сведены в таблицу №4. 
Рисунок 4 – Динамика (а) и кинетика (б) усилия нагружения на инденторе
при определении показателей твердости и остаточной эластичности мякиша
при разной продолжительности хранения хлеба Ржаного (Рж) и Дарницкого (Дар).

Таблица №4 – Значения показателей: твердости (Fmax, Fкон),
деформационных характеристик (hобщ, hупр, hпл) и остаточной эластичности (Δh)
для мякиша хлеба Ржаного и хлеба Дарницкого с разной продолжительностью хранения.

    На рисунке 5 показано изменение показателя твердости (Fmax – табл.4), в зависимости от продолжительности хранения хлеба Ржаного и хлеба Дарницкого в течение от 5 до 101 часа.

Рисунок 5 – Изменение показателя твердости мякиша хлеба Ржаного (Рж)
и Дарницкого (Дар) в зависимости от продолжительности хранения.

    Из рис. 5 видно, что показатель твердости в процессе хранения этих видов хлеба в течение 4 суток увеличился в 2,5 раза.

    На рисунке 6 приведены диаграммы изменения показателя эластичности мякиша без релаксации механических напряжений и с релаксацией в течение 180 с.

Рисунок 6 (а, б) – Влияние продолжительности хранения хлеба Ржаного и Дарницкого
на изменение эластичности мякиша без релаксации механических напряжений
после сжатия (а) и с релаксацией механических напряжений (б)

    Из рис.6а видно, что показатель эластичности, определяемый по методике №1 имеет достаточно большое значение и фактически не изменяется, что можно объяснить только возникающим напряжением, которое делает данный метод контроля нечувствительным к изменению структуры мякиша при  протекании процесса черствения.

    Обратная картина наблюдается при определении показателя эластичности мякиша по методике №2 (см. рис. 6б). Как видно из рисунка, устранение избыточного упругого напряжения за счет процесса релаксации делает данный метод чувствительным для контроля процесса черствения, так как увеличение продолжительности хранения хлеба отражается уменьшением показателя эластичности. Для хлеба Ржаного и хлеба Дарницкого уменьшение показателя Δh составило в диапазоне: 0,42–0,29 и 0,54–0,41 соответственно.

    Из рис. 4, 5 и 6 видно, что в сравнении с международным стандартом 74-09.1 по оценке степени черствости мякиша, предлагаемый методический подход позволяет кроме твердости устанавливать  эластичность мякиша и оценивать релаксацию возникающего при  этом механического напряжения.

   Что касается математической обработки экспериментальных данных и формализации кривых, представленных на рис. 4 и 5, то она проводилась в два этапа:

• На 1 этапе проводилась формализация динамики изменения усилия нагружения при определении твердости и эластичности мякиша, а также процесса релаксации возникающего при этом напряжения, с целью разработки системы уравнений, описывающих структурно-механические свойства мякиша и создания критериев для оценки степени его черствости;
• На 2 этапе проводилась разработка математических моделей динамики изменения показателей текстуры мякиша и критериев, отражающих протекание процесса черствения при хранении хлеба из ржаной муки и её смеси с пшеничной.

   Математическая обработка начиналась с участка «I-II» на кривой динамики  усилия нагружения (см. рис.4 «а-Рж») – это участок кривой  от 50г (усилие касания индентором поверхности мякиша) – точка «I» до максимального усилия нагружения – точка «II» (усилие нагружения, соответствующее деформации мякиша на величину hобщ=6,25мм).

Данный участок кривой был описан квадратным уравнением [1]:

Для получения коэффициентов уравнения [1] берутся 3 точки на кривой «f(τ)»
и получаются коэффициенты a, b, c по следующим формулам:

    В этих формулах координаты трёх точек: (τ₁,f₁); (τ₂,f₂) и (τ₃,f₃) участка кривой «I-II»отвечают следующим требованиям:(τ₃>τ₂)и (τ₂>τ₁).

    Критерием для оценки функции «f(τ)» используется дискриминант, который принимается за критерий степени черствости:

    В таблице № 5 приводятся значения коэффициентов уравнения [1]: a, b, c и критерия для мякиша хлеба Ржаного и Дарницкого с продолжительностью хранения в течение четырех суток.

Таблица №5 – Показатели уравнения кривой нагружения мякиша
при определении твердости (для хлеба Ржаного и хлеба Дарницкого)

     На рисунке 7 представлены диаграммы изменения критерия D в зависимости от продолжительности хранения хлеба в течение 4 суток.

Рисунок 7 – Изменение критерия черствости D хлеба Ржаного (Рж) и Дарницкого (Дар)
в зависимости от продолжительности хранения после выпечки.

    Из рис. 7 видно, что критерий «D» изменяется фактически по линейному закону, что позволяет рассматривать эти диаграммы как монограммы для установления даты изготовления хлеба, в случае необходимости, по результатам контроля, осуществляемого с помощью прибора-текстуроанализатора и получаемым значениям критерия D.

    Далее проводилась математическая обработка участка кривых «II-III» (см. рис 4 «а-Рж») – участка релаксации механического напряжения, возникающего при сжатии пробы мякиша на hобщ=6,25мм. В результате было получено уравнение [6], адекватно описывающее динамику процесса релаксации:

где: a — значение показателя твердости (Fmax), г;

b — значение усилия нагружения после релаксации напряжения (Fкон), г;

k — коэффициент кривизны;

j —  коэффициент жесткости мякиша.

    Для определения степени черствости мякиша был разработан критерий, имеющий следующий вид:

    Значения коэффициентов уравнения «а»,  «b»,  «j» и «k» процесса релаксации и критерия «Z» для хлеба Ржаного и хлеба Дарницкого приведены в таблице №3.

Таблица №3 – Показатели кривых релаксации напряжения в мякише
в зависимости от продолжительности хранения хлеба Ржаного и хлеба Дарницкого

    На рисунке 8 представлены диаграммы изменения критерия Z, также в зависимости от продолжительности хранения хлеба в течение 4 суток.

Рисунок 8 – Изменение критерия черствости Z хлеба Ржаного (Рж) и Дарницкого (Дар)
в зависимости от продолжительности хранения после выпечки.

    Далее на втором этапе была проведена математическая обработка динамики изменения показателя твердости (Fmax) в процессе хранения хлеба (характер изменения данного показателя приведен на рис. 5) и была разработана модель, имеющая следующий вид:

где:
a – усилие Fmax, установленное через 5 ч после выпечки хлеба, г;
b – усилие Fmax, установленное через 101ч после выпечки хлеба, г;
λ – скорость черствения, с^-1.

    Из уравнения 6 видно, что относительным показателем, который может характеризовать протекание процесса черствения при хранении  хлеба Ржаного и хлеба Дарницкого, т.е. группу изделий из ржаной муки и её смеси с пшеничной, является  критерий λ – это скорость черствения. Его значение для Ржаного хлеба и Дарницкого составляет 0,0289 и 0,0299с^-1 соответственно.

   Полученные в результате математической обработки показатели текстуры мякиша Fmax и Δh и интегральные критерии D, Z и λ рассматриваются как элементы единой системы для оценки структурно-реологического поведения мякиша. Они являются числовыми (цифровыми) характеристиками текстуры мякиша, исследуемых видов хлеба из ржаной муки и её смеси с пшеничной. Использование данных показателей позволит более точно и всесторонне оценивать протекание процесса черствения, обусловленного изменением структуры крахмальных зерен и белковых веществ мякиша хлеба Ржаного и Дарницкого. Все эти показатели являются дополнением друг к другу, как координаты в трёхмерном пространстве, т.е. чем больше таких критериев (не 5, как в данном случае, а 7 или 10) тем выше будет точность при определении степени чёрствости мякиша или состояния его структуры в увязке с технологическими факторами.

    Таким образом, чем больше будет показателей и критериев для оценки структурно-механических свойств мякиша хлеба, тем быстрее можно будет создать разветвленную информационно-измерительную систему (РИИС) техно-химического контроля производства хлебобулочных изделий  на основе «перцептрона» (естественно не в изначальном виде, а с соответствующей переработкой модели под рассматриваемую задачу), позволяющую управлять качеством готовой продукции с учетом существующих технологических факторов и видов изготавливаемой продукции и гарантировать её безопасность.

    Главным достоинством РИСС, при её соответствующем обучении, будет установление показателей хлеба, которые на первый взгляд являются  не явно выраженными, но которые могут проявиться  при рассмотрении всех критериев в целом как единой системы и тогда она в полном объеме сможет реализовать в хлебопекарной промышленности систему HACCP. 

Выводы. На основании проведённых исследований и всесторонней математической обработки экспериментальных данных можно сделать следующие выводы:

• Разработана методика подготовки пробы мякиша для определения показателей текстуры;
• Разработан метод контроля твердости и эластичности мякиша хлеба, заключающийся в измерении и анализе динамики и кинетики усилия нагружения на инденторе «Цилиндр Ø36» при сжатии с его помощью пробы мякиша, помещенной в кольцо;
• Сравнительный анализ двух методов контроля показателей текстуры мякиша хлеба показал, что наиболее чувствительным является метод предусматривающий наличие релаксации механического (упругого) напряжения, возникающего при деформации пробы на определенную величину;
• Разработана система уравнений, описывающая динамику изменения усилия нагружения на инденторе: при деформации образца; при релаксации напряжения и при проявлении упругой деформации при возврате индентора к начальному усилию касания пробы мякиша;
• Разработаны интегральные критерии степени черствости мякиша хлеба: «λ»;«D» и «Z» и установлена динамика их изменения совместно с показателями текстуры: твердости Fmax и эластичности Δh от продолжительности хранения хлеба Ржаного и хлеба Дарницкого.

Список литературы:

1. Ауэрман, Л.Я. Технология хлебопекарного производства. / Под общ. ред. Л.И. Пучковой. / Л.Я. Ауэрман. – СПб.: Профессия, 2002. – 414 с.
2. Методика государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур. Технологическая оценка зерновых, крупяных и зернобобовых культур. Госагропром СССР. М.: Государственная комиссия по сортоиспытанию сельскохозяйственных культур, 1988 г. – 121 с.
3. Максимов А.С. Реология пищевых продуктов: лабораторный практикум: учебник [Текст] /А.С. Максимов, В.Я. Черных –  СПб.: ГИОРД, 2006.-176 с.
4. Пучкова Л.И. Лабораторный практикум по технологии хлебопекарного производства. – 4-е изд., перераб. и доп. – СПб.: ГИОРД, 2004. – 259 с.: ил.
5. Международный стандарт ААСС 74-09.01 (Американской ассоциации химиков зерна). Измерение текстуры хлеба с помощью универсального испытательного прибора. Утверждён 8 ноября 1995г.; повторно утверждён 3 ноября 1999 г.
6. ГОСТ Р 52961-2008 «Изделия хлебобулочные из ржаной и смеси ржаной и пшеничной муки. Общие технические условия».