Управление реакцией Майяра при выпечке хлебобулочных изделий

XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Управление реакцией Майяра при выпечке хлебобулочных изделий

Емельянов С.Ю. 1
1МБОУ - Алданский лицей
Фалина А.С. 1
1МБОУ - Алданский лицей


Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Актуальность выбранной темы:

Есть одна реакция, с которой все мы сталкиваемся каждый день — всякий раз, когда подходим к плите, чтобы приготовить что-нибудь вкусненькое, или пьем утренний кофе с бутербродом. Речь идет о реакции Майяра, которой в этом году исполняется более ста лет. Во Франции в городе Нанси даже проводили юбилейный международный симпозиум, посвященный этой реакции.

Но это вездесущая и хорошо знакомая каждому реакция до сих пор, даже спустя более 100 лет, до конца не изучена. Меланоидинообразование и карамелизация имеет место и в хлебобулочной промышленности. Но из-за неправильных условий производства реакция Майяра идет таким образом, что в последствие конечный товар не соответствует нормам. Из-за чего образуются и накапливаются вредные вещества (рис. 1) в организме, приводящие к болезням.

Рис. 1. Конечный продукт гликирования.

Цель:

Разработка рекомендаций по управлению реакцией Майяра на основе анализа физико-химических факторов для улучшения качества хлебобулочных изделий.

Для выполнения цели были поставлены задачи:

-Изучить реакции меланоидинообразования и карамелизации: механизм, стадии и продукты реакции.

-Практически определить факторы, влияющие на реакцию Майяра на примере хлебобулочных изделий.

- Разработать рекомендации по управлению реакцией Майяра на основе физико-химических факторов.

Методы, использованные в работе:

-информационный.

-сравнительный анализ.

-графический.

-практическое исследование.

Объект исследования: реакция Майяра

Предмет исследования: факторы, влияющие на реакцию.

Теоретическая часть:

История реакции Майяра.

Луи Камилл Майяр (фр. Louis Camille Maillard; 1878 г.- 1936 г.) — известный французский учёный, врач и химик. Луи Камилл Майяр окончил лицей Пуанкаре (Нанси) в 1894 году бакалавром по литературе и философии.

Благодаря своим выдающимся способностям уже в 16 лет он был зачислен на факультет наук Университета Нанси. Майяр окончил факультет наук с серебряной медалью в 1897 году. Здесь он достиг больших успехов в естественных науках, особенно в химии.

В 1897 году он начал свою работу на факультете медицины Университета Нанси. Здесь он получил диплом по специальности зоология (1899).

С 1902 года в качестве протеже профессора Армана Готье Майяр начал свою научную карьеру на факультете медицины Университета Парижа. Долгое время работал в области физиологии (ввел понятие «коэффициента Майяра»).

С 1910 года Майяр начал исследования реакций между аминокислотами и сахарами. В 1913 году он защитил на эту тему докторскую диссертацию. Его исследования были также связаны с пищевой промышленностью и происхождением вкуса пищи. [1]

В то время важность исследованной Майяром данной реакции не была оценена.

В 1953 г. на 123 конгрессе Американского химического общества Дж. Ходжем была предложена новая схема реакции.

Изучением этой реакции также занимались Г. Эйлер, Д. Данеем и В. Пигман, Г Эллис, А. Пономарева, В. Кретович и Р. Токарева и мн. др.

Реакция Майяра(меланоидинообразование)– химическая реакция между аминокислотами и сахарами (Приложение 1), которая происходит при нагревании.

Примером такой реакции является жарка мяса или выпечка хлеба, в ходе которых в процессе нагревания пищевого продукта возникает типичный запах, цвет и вкус приготовленной пищи.

Внешне результаты карамелизации сахара и реакции Майяра очень похожи: коричневый цвет и аппетитный запах (рис. 4 и 5). Однако это разные процессы. В отличие от реакции Майяра карамелизация — это тип пиролиза, термического разложения соединений. Для протекания этого процесса необходимо, чтобы продукт был сухим: вода мешает нагреванию сахаров до высоких температур. Как и реакция Майяра, карамелизация включает множество сложных химических процессов, которые до сих пор плохо изучены.

Рис. 2. Продукт карамелизации. Рис. 3. Продукт реакции Майяра.

Образование меланоидинов часто объединяют общим названием «реакция Майяра». Однако толкования и формулировки М. Майяра считаются устаревшими. Новый механизм, который актуален и по сей день, был предложен Дж. Ходжем в 1953 г.

Реакция образования меланоидинов– это сложный окислительно-восстановительный процесс взаимодействия аминосоединений (имеющих свободные аминные группы) с веществами, содержащими свободные карбонильные группы (или гликозидный гидроксил), сопровождающийся появлением промежуточных соединений, а затем – высоко конденсированных азотсодержащих красящих веществ и небольших количеств CO2, NH3 и воды. [2] Летучие промежуточные соединения этой реакции, в основном альдегиды, обуславливают аромат пищевых продуктов.

При образовании меланоидинов нет единой цепи химических реакций, а имеется большое разнообразие сопутствующих реакций, дающих почти бесконечное число продуктов распада. [3] Все процессы, происходящие при потемнении пищевых продуктов, ещё недостаточно точно изучены (Приложение 1).

Рассмотрим наиболее подробно механизм меланоидиновой реакции, принимая за основу схему Дж. Ходжа, включающую семь основных типов реакций, которые по развитию цвета можно разделить на три последовательно идущие стадии (Приложение 2). [2]

Начальная стадия (образование бесцветных и не поглощающих цвет продуктов): Реактивная карбонильная группа сахара взаимодействует с нуклеофильной группой аминокислоты с образованием нестабильного N-замещённого гликозиламина и воды (Приложение 3).

Гликозиламин самопроизвольно подвергается перегруппировке Амадори и превращается в кетозамин (Приложение 4).

Промежуточная стадия (образуются бесцветные или слабо - желтые продукты, сильно поглощающие свет в УФ- спектре):

Делится на несколько путей дегидрадации 1-амино-2-дезокси-2-кетоз:

1. С образование фурфурола или оксиметилфурфурола.

2. С разрывом циклической структуры и образованием редуктонов с незамкнутой цепью.

3. Наблюдается в мягких условиях проведения реакции и сопровождается распадом их сахарного компонента с образованием различных продуктов.

Конечная стадия (интенсивное нарастание цветности):

Кетозамины в ходе последующих реакций могут превратиться в (Приложение 5)

-редуктоны,

-короткоцепочечные гидролитические продукты (диацетил, аспирин и др.)

-бурые нитрогенные полимеры и меланоидины.

Факторы, влияющие на реакцию меланоидинообразования.

Чтобы управлять процессом меланоидинообразования в нужном направлении, необходимо знать факторы, влияющие на реакцию. Контроль условий важен, чтобы избежать получения токсичных «перемеланоидиновых» продуктов, которые могут давать нитрозоамины.

рН среды. Кислотность среды имеет большое значение для реакции Майяра. Было проведено исследование на 3 образцах. После анализа выявлено, что 6 часов расстойки теста приводит к состоянию среды pH 1, т.е. очень кислой (рис. 5), из-за чего в этих условиях аминогруппа изотонируется, и образование глюкозоамина происходить не будет, что приводит к плохому качеству и нетоварному внешнему виду конечного продукта (рис. 6). При 30-ти минутной расстойке теста среда – щелочная, т.е. pH 10 (рис. 4), что приводит к слабому подъему теста, следовательно, к малому объему изделия и к менее интенсивному процессу реакции Майяра (рис. 7). Согласно проведенному исследованию, было выявлено, что оптимальным временем расстойки является 90 минут, на основе внешнего вида и качества изделия, при pH 8,5, т.е. в слабо щелочной среде (рис. 8). (Приложение 6)

Рис.4. pH 10 30 минут расстойки. Рис.5. pH 1 6 часов расстойки.

Рис. 6. Кислые. Рис. 7. Щелочные. Рис. 8. Оптимальные.

Влажность. На реакцию Майяра влияет как влажность внешней среды, так и влажность изделия. Было взято 2 одинаковых образца, которые выпекались при различной влажности среды. Практические исследования показали, что при выпечке с влажностью 60% и начальной температурой 120 0С наблюдаем появление глянцевой корки на изделии (рис. 9), что улучшает товарный вид и потребительский спрос. При выпечке с влажностью 30% и начальной температурой 120 0С наблюдаем мучнистый налет, незначительное увеличение объема, трещины и горение корки на хлебобулочных изделиях (рис. 10).

Рис. 9. 60% влажность среды и начальная температура 1200С.

Рис. 10. 30% влажность среды и начальная температура 1200С.

При исследовании влажности изделия было взято 3 образца, после выпечки выявлено, что влажность 52,4% избыточна (рис. 10), 30,5% недостаточна (рис. 11). При указанных влажностях меланоидинообразование идет неактивно, оптимальная для реакции Майяра влажность 39,6% (рис. 12). Так же влажность изделия влияет на массу конечного изделия (Таблица 1).

Рис.10. Повышенная µ. Рис.11. Пониженная µ. Рис.12. Оптимальная µ.

Нормы

Влажность, %

m, г

m1, г

Выше нормы

52,4

20

9,52

Ниже нормы

30,5

20

13,9

Норма

39,6

20

12,08

Таблица 1. Влияние µ на m изделия.

Влажность изделия была высчитана с помощью формулы:

 

(2.1),

где w- массовая доля влаги мякиша, %.

m- масса навески, г.

m1- масса бюксы с навеской после высушивания, г. (Приложение 7)

Также влажность влияет на объем готового изделия, т.е. на пористость. Для исследования пористости было взято три образца хлебобулочных изделий. Чтобы определить пористость изделия потребовалась данная формула:

 

(2.2),

где n- пористость хлебобулочного изделия.

v- общий объем выемки, см3.

m- масса навесок выемок, г.

p- плотность беспористой массы мякиша, г/см3.

Для определения объема выемки из изделия и объема беспористой массы выемки использовался аналог аппарата Журавлева (рис.13).

Рис. 13. Аналог аппарата Журавлева.

С помощью найденного аппаратом объема беспористой массы выемки была определена плотность хлебобулочных изделий. Вырезанные выемки взвесили на весах. И с помощью формулы (2.2) была высчитана пористость изделий (Таблица 2). (Приложение 8)

Хлебобу-

лочные изделия

Масса выемки, г

Объем пористой выемки, мл

Объем беспористой выемки, мл

Плотность изделия,

г/см3

Пори-

стость изделия,

%

Белый хлеб

19,6

50

24

0,817

52,02

Черный хлеб

20,7

50

20

1,035

60

Булочка

14

50

16

0,875

68

Таблица 2. Расчетная таблица пористости изделия.

Температура. Наблюдается увеличение скорости реакции при повышенных температурах. 3 одинаковых образца были выпечены при различных температурах, результаты представлены ниже (График 1) (Таблица 3) (рис. 14-16).

График 1. Зависимость τ от t0C.

 

1 (рис. 20)

2 (рис. 21)

3 (рис. 22)

t, oC

300

240

220

t, min

8

15

16

Таблица 3. Зависимость скорости реакции Майяра от температуры.

Рис. 14. 1 образец. Рис. 15. 2 образец. Рис. 16. 3 образец.

Ионы металлов. В первом опыте исследование проводилось на влияние тяжелых металлов, а именно Fe и Cu, для этого было взято 2 образца (рис. 17 и 18) с одинаковой закладкой соли. В ходе эксперимента было установлено, что реакция меланоидинообразования шла более активна в пшеничном хлебе, чем в пшенично-рисовом (замес пшенично-рисового хлеба производился с соотношением 9:1, пшеничной и рисовой муки соответственно), так как содержание тяжелых металлов в пшеничной муке больше, чем в рисовой (Таблица 4). [10]

Образцы

Железо, мг/100 г

Медь, мг/100 г

Натрий, мг/100 г

Хлеб пшеничный

3,6

0,1

473

Хлебпшенично- рисовый

3,18

0,08

473

Таблица 4. Влияние количества Fe и Cu на меланоидинообразование.

Рис. 17. Хлеб пшеничный. Рис. 18. Хлеб пшенично-рисовый.

Во втором опыте исследование проводилось на влияние ионов Na из NaCl на реакцию Майяра. Для этого было взято 2 образца (рис. 19 и 20) с различной закладкой соли. В ходе эксперимента было установлено, что реакция меланоидинообразования шла более активно в первом хлебе, чем во втором, так как объем второго менее увеличился из-за соли. Поваренная соль замедляет брожение, поэтому тесто плохо подымается, площадь поверхности булки не достигает нужных параметров, из-за чего меланоидинообразование на поверхности идет менее активно (Таблица 5).

Образцы

Железо, мг/100 г

Медь, мг/100 г

Натрий, мг/100 г

Хлеб пшеничный 1

3,6

0,1

473

Хлеб пшеничный 2

3,6

0,1

2473

Таблица 5. Влияние количества Na на меланоидинообразование.

Рис. 19. Хлеб пшеничный 1. Рис. 20. Хлеб пшеничный 2.

Структура сахаров. Для исследования влияния сахаров на реакцию Майяра была использовано два метода: практический и теоретический. В практической части было изготовлено 2 блина: один замешан на фруктозе, другой на сахарозе (рис. 21). Как видно на рисунке блин на фруктозе менее пигментированный, чем на сахарозе, потому что после теоретического исследования структурных формул было выявлено, что количество открытых цепей (свободный карбонил) прямо пропорционально влияет на степень образования пигментов. Наблюдается уменьшение способности образовывать коричневые пигменты в рядах: D-ксилоза — L-арабиноза (пентозы); D-галактоза — D-манноза — D-глюкоза — D-фруктоза (гексозы); мальтоза — лактоза —сахароза (дисахара). [11]

Рис. 21. Влияние открытых цепей на образование пигмента.

Характер аминокислот. Для исследования влияния характера аминокислот было взято 2 важных компонента для реакции Майяра в хлебобулочных изделиях: молоко и яйца. В процессе исследования менялся состав закладываемой яично-молочной смеси, которая придает изделию сдобные свойства (Приложение 9). В ходе экспериментов было выявлено, что активность аминокислот зависит от структуры, а именно чем дальше расположена аминогруппа от карбоксильной, тем активнее данная аминокислота в реакции Майяра. Таким образом, лизин вступает в реакцию лучше, чем глутаминовая кислота (рис. 22).

Рис. 22. Лизин и глутаминовая кислота.

Выводы:

-Исследована реакция Майяра: механизм, стадии и продукты реакции. Определено ее отличие от реакции карамелизации.

-Практическим путем выявлены факторы, влияющие на ход реакции Майяра.

-Разработаны рекомендации по управлению реакцией Майяра на основе физико-химических факторов, влияющих на меланоидинообразование и карамелизацию.

Рекомендации:

При замесе дрожжевого теста соотношение муки и воды должно быть 1:0,4 для получения влажности изделия 35%. Если влажность будет избыточной, то реакция будет происходить быстрее, из-за чего пищевая ценность продукта снизится. Если влажность будет недостаточной, для протекания реакции, то скорость уменьшится,

соответственно увеличится время готовки. Объем изделия будет меньше из-за того, что количество влаги, определяющей пористость, недостаточно.

Сахара необходимо закладывать до 120 грамм на 1 килограмм готовых изделий. Потому что избыток сахара будет образовывать корку, которая будет подгорать, не пропуская тепло в середину булки, из-за чего мякиш будет сырой. Если будет недостаток сахара, то меланоидинообразование будет замедленным.

Соли не более 7 грамм на 1 килограмм готовых изделий. Т.к. избыток соли приведет к замедлению меланоидинообразования. В состав соли входит ион Na.

Соотношение Белков: Жиров: Углеводов должно быть 4:7:35. (Приложение 10)

На 120 грамм продукта Б:Ж:У равен:

Белки- 4,8 грамм

Жиры- 8,4 грамм

Углеводы- 42 грамм

Пористость и кислотность готовых изделий зависят от времени расстойки теста! Рекомендуемое время на быстрых дрожжах- до 90 минут. Если расстойка будет избыточной или недостаточной, то у продукта pH отклонится от нормы.

Оптимальная температура выпечки штучных хлебобулочных изделий 230-240 0С. Повышение t приведет к образованию толстой корки из-за быстрого течения реакции меланоидинообразования в верхних слоях, середина же останется внутри сырой. Понижение t приведет к медленному прогреванию и низкой температуре внутри, из-за чего брожение будет происходит в мякише даже при выпечке. Брожение останавливается при 60 0С. Это приведет еще к большему увеличению времени затрат на протекание реакции. (Приложение 11)

Список использованной литературы:

Майяр Луи Камилл. Докторская диссертация «Реакция между аминокислоты и сахарами», 1931.

Сапронов А.Р., Колчева Р.А. Красящие вещества и их влияние на качество сахара. М.: Пищевая промышленность, 1975.

Пищевая химия/ Нечаев А.П. [и др.]. СПб.: ГИОРД, 2007.

Ратушный А.С. Технология продукции общественного питания (Т.1): учеб.и учеб. пособия для студ. высш. уч. зав. М.: Мир, 2003.

Скурихин И.М., Нечаев А.П. Все о пище с точки зрения химика: справ.изд. М.: Высш. шк. 1991.

Космачевская О.В. Вездесущая реакция Майяра // Химия и жизнь, 2012, №2.

Давидянц С.Б. Темное царство меланоидинов // Химия и жизнь, 1980, №3.

8. Л.Ф. Зверева. Технология хлебопекарного производства, 1970.

9. М. Роте. Аромат хлеба, 1978.

10. Ю. Т. Жук. Товароведение продовольственных товаров, 1970.

11. Е. С. Гришко. Продовольственные товары, 1978.

Приложение 1. Схематическое изображение превращений при потемнении пищевых продуктов.

Приложение 2. Схема образования меланоидинов, предложенная Дж. Ходжем.

Приложение 3. Начальная стадия реакции Майяра.

Приложение 4. Промежуточная стадия реакции Майяра.

Приложение 5. Конечная стадия реакции Майяра.

Приложение 6. Измерение pH среды.

1 образец, τ=30 мин

2 образец, τ=360 мин

3 образец, τ=90 мин

1

10

1

8

2

11

1

8

3

11

1

9

4

10

0

9

5

10

1

8

Итог

10

1

8,5

Универсальная индикаторная бумага.

Приложение 7. Исследование влияния влажности на массу.

Выше нормы

Влажность, %

Масса, г

Масса 1, г

1

52,6

20

9,56

2

52,2

20

9,48

3

51,9

20

9,43

4

52,8

20

9,6

5

52,5

20

9,54

Итог

52,4

20

9,52

Ниже нормы

Влажность, %

Масса, г

Масса 1, г

1

30,3

20

13,8

2

30,5

20

13,9

3

30,2

20

13,76

4

30,9

20

14,08

5

30,6

20

13,95

Итог

30,5

20

13,9

Норма

Влажность, %

Масса, г

Масса 1, г

1

39,8

20

12,14

2

39,4

20

12,02

3

39,3

20

11,98

4

40,1

20

12,23

5

39,5

20

12,05

Итог

39,6

20

12,08

Приложение 8. Исследование пористости.

Белый хлеб

Масса выемки, г

Объем пористой выемки, мл

Объем беспористой выемки, мл

Плотность

изделия, г/см3

Пористость изделия, %

1

19,8

50

24,3

0,83

52,7

2

19,2

50

23,5

0,8

51,13

3

20,1

50

24,6

0,84

53,5

4

19,4

50

23,76

0,809

51,7

5

19,5

50

23,9

0,813

51,9

Итог

19,6

50

24

0,817

52,2

Черный хлеб

Масса выемки, г

Объем пористой выемки, мл

Объем беспористой выемки, мл

Плотность

изделия, г/см3

Пористость изделия, %

1

20,8

50

20,01

1,04

60,3

2

20,3

50

19,6

1,015

58,9

3

20,2

50

19,5

1,01

58.5

4

20,9

50

20,2

1,045

60,6

5

21,1

50

20,4

1,055

61,16

Итог

20,7

50

20

1,035

60

Булочка

Масса выемки, г

Объем пористой выемки, мл

Объем беспористой выемки, мл

Плотность

изделия, г/см3

Пористость изделия, %

1

14,5

50

16,6

0,9

70,4

2

13,7

50

15,7

0,856

66,5

3

14,2

50

16,3

0,8875

68,9

4

13,8

50

15,77

0,86

67

5

14,1

50

16,11

0,88

68,5

Итог

14

50

16

0,875

68

Приложение 9. Влияние закладки яйца и молока в тесто на реакцию Майяра.

Молоко

Масса, г

Молоко, г

Органолептическая оценка:

цвет/вкус/запах/консистенция/внешний вид

1

100

40

-/-/-/-/-

2

100

20

+/+/+/-/+

3

100

30

-/+/-/+/-

4

100

25

-/+/+/-/+

5

100

22

+/+/+/+/+

Итог

100

21,5

+/+/+/+/+

Яйцо

Масса, г

Яйцо, г

Органолептическая оценка:

цвет/вкус/запах/консистенция/внешний вид

1

100

30

-/-/-/-/-

2

100

20

+/+/+/-/+

3

100

10

-/-/+/-/-

4

100

40

-/-/-/-/-

5

100

15

+/+/+/+/+

Итог

100

15,5

+/+/+/+/+

Приложение 10. Расчет расхода сырья на 1 шт. готового изделия по сухому веществу.

Таблица сырья на 60 грамм булочного изделия (сборник рецептур).

 

Сырье, г

Б:Ж:У

Мука

Сахар

Маргарин

Молоко

Яйцо

Белки

0,1+0=0,1

-

2+2,7=4,7

Жиры

-

8,4

-

Углеводы

30+12=42

-

-

Таблица Б:Ж:У на 120 грамм готового изделия.

Б:Ж:У

4,8:8,4:42 ÷ 4,8

1:1,75:8,75 × 4

4:7:35

Приложение 11. Общие результаты.

Количество вещества, г

Яйцо

Молоко

15,5/21,5

31/43

46,5/64,5

62/86

77,5/107,5

155/215

Вода

H2O

35

70

105

140

175

350

Соль

NaCl

0,7

1,4

2,1

2,8

3,5

7

Сахар

Сахароза

12

24

36

48

60

120

рН

8,5

8,5

8,5

8,5

8,5

8,5

φ, %

60

60

60

60

60

60

t, 0C

230-240

230-240

230-240

230-240

230-240

230-240

m, г

100

200

300

400

500

1000

Данная таблица прошла апробацию в сети предприятия общепита «Наша столовая» и получила положительный отзыв. (Приложение 12)

Приложение 12.Аналитическая справка

Просмотров работы: 36