Autor: dipl. ing. Milena Marković

Mehanizam kišeljenja

Kišeljenje uz pomoć gasova je napravljeno radi kontrole specifičnih zahteva procesa (npr. reologije slatkog i kiselog testa, gustine proizvoda i njegovog obima), i kako bi se napravili proizvodi sa željenim jestivim karakteristikama, kao što su laka tekstura proizvoda, i lakoća prilikom ugriza. Kao gasovi za zakišeljavanje se koriste: ugljen dioksid, vodena i/ili etanolska para, amonijak, i vazduh.

Kišeljenje počinje uvođenjem vazduha u kiselo ili slatko testo tokom mešanja, kako bi se formirao nukleus gasnih ćelija koji će se proširiti tokom pečenja. Vazduh je, dakle, prisutan i koristi se za sve pekarske proizvode. Ekspanzija početnih gasnih ćelija se može postići korišćenjem hemijskih agenasa i/ili kvasca.

Voda je takođe prisutna u svim pekarskim proizvodima, i u svim slučajevima isparavanje vode u kiselom ili slatkom testu ima važnu ulogu u procesu ekspanzije. Međutim, većinom su ti efekti kišeljenja veoma ograničeni, zato što voda ima relativno visoku tačku ključanja. Vodena para je efikasan zakišeljivač samo kada je proizvod zagrejan velikom brzinom, zbog brzog povećanja pritiska vodene pare, što se i radi u proizvodnji slanih krekera ili biskvita.

Fermentacija kvasca, kao biološki proces kišeljenja putem proizvodnje ugljen dioksida i etanola, predstavlja glavni vid zakišeljavanja prilikom proizvodnje hleba, ali se veoma retko koristi za proizvode od mekih vrsta pšenice. Male količine kvasca se mogu koristiti u pojedinim formulama za pravljenje pereca. Većina, ako ne i svi, proizvodi od mekih vrsa pšenice se hemijski zakišeljavaju, što znači da se ugljen dioksid proizvodi hemijskim reakcijama bikarbonata ili karbonata, sa kiselinama. Reološki uticaj kvasca uglavnom nije poželjan kod proizvoda od mekih vrsta pšenice. Kod njih su natrijum i amonijum bikarbinati najčešći izvori ugljen dioksida.

Fermentacija i proizvodnja gasa od strane kvasca

Kvasac je organizam koji je neaktivan tokom skladištenja. Neaktivnost je izazvana ili sušenjem, u slučaju aktivnog suvog kvasca, ili niskom temperaturim, u slučaju kompresovanog, izmrvljenog ili kremastog kvasca. Kvasac je, pošto se proizvodi komercijalno, kontaminiran bakterijama, uglavnom laktobacilima. Oni su prilično važni u proizvodnji slanih krekera, i možda kod nekih vrsta hleba od kiselog testa, ali nemaju značaj prilikom redovnog procesa pravljenja hleba.

Kada je kvasac inkorporiran u testo, nastaju uslovi za njegovu aktivaciju postaju povoljni. Kvasac je prilagodljiv organizam; on može fermentirati u aerobnim ili anaerobnim uslovima. Razvoj kvasca i rane faze kuvanja su aerobni procesi, dok je fermentacija hleba – anaerobni proces. Stoga se tokom fermentacije javlja mala količina kvasca. Već na početku fermentacije kvasac i bakterije brzo uzimaju kiseonik. Zato je fermentacija anaerobna, osim ukoliko se kiseonik ne doda u sistem (npr. ponovnim mešanjem).

Proces anaerobne fermentacije ugljenih hidrata, od kvasca do krajnjih proizvoda, etanola i ugljen dioksida, je prikazan dole:

C₆H₁₂O₆ + kvasac →2 CH₃CH₂OH+2 CO₂

U sistemu dizajniranom tako da maksimizuje aktivnost kvasca, koristi se substrat (saharoza ili glukoza) u količini od 0,77-3,0 g šećera na sat, po gramu čvrstog kvasca. U trosatnoj fermentaciji i 55 minuta dizanja, sa sabijenim kvascem (29% čvrste materije) dodatim na 2% težine brašna iznosi 1,75 – 6,82 g šećera na 100 g težine brašna. Kvasac koristi saharozu prateći pretvaranje u glukozu i fruktozu efikasnim enzimskim sistemom pretvaranja.

Ugljen dioksid se zadržava u testu hleba u dve faze: kao gas u okviru ćelija gasa, i rastvoren u vodenoj fazi. Nakon što je ugljen dioksid proizveden, on reaguje u manjem obimu sa vodom, dajući ugljenu kiselinu, a pH se smanjuje. Neprestano proizvođenje ugljen dioksida ubrzo dovodi do zasićenja vodene faze. Očigledni početni trag koji se pojavljuje u gasnim “proizvodnim” krivama hlebnog testa se javlja zato što vodena faza testa mora postati zasićena ugljen dioksidom, pre nego što se njen razvoj ili gubitak, mogu izmeriti. Tek nakon što vodena faza postane zasićena ugljen dioksid može zakiseliti sistem. Rastvorljivost ugljen dioksida u vodi je obrnuto srazmerna temperaturi i pod uticajem je pH.

Na pH hlebnog testa, veći deo ugljen dioksida je prisutan kao CO₂ i samo u veoma maloj količini kao H₂CO₃, HCO₃^–ili CO^2-₃ . Ugljen dioksid prisutan u potpuno nadošlom testu iznosi samo oko 45% tog gasa ukupno proizvedenog fermentacijom. Deo se gubi tokom fermentacije, udaranja, oblikovanja i dizanja. Širenje CO₂ u ćelijama vazduha i CO₂ koje dolazi iz vodene faze nije dovoljno da se u potpunosti iskoristi za povećanje obima testa u peći.

Kako se odvija fermentacija, obično se testo udara ili ponovo meša, u zavisnosti od toga koji se sistem za pečenje koristi. Ćelije gasa u testu postaju sve veće i veće kako se proizvodi sve više gasa. Udaranje ili ponovno mešenje deli ćelije gasa, proizvodeći manje ćelije. Tokom ponovnog mešenja, velike količine CO₂ odlaze u atmosferu, ali je važan aspekt procesa stvaranje novih ćelija gasa. Druga važna korist od udaranja ili ponovnog mešanja je mešanje sastojaka testa. Ćelije kvasca nisu pokretne u testu. Zato one zavise od raznošenja šećera u njemu. Kako se odvija fermentacija, razmaci raznošenja postaju veći, koncentracija ovog nutrimenta se redukuje, a zajedno sa tim i brzina fermentacije. Udaranje ili ponovno mešanje ponovo spaja ćelije kvasca i sredstva za fermentaciju. U sistemima pečenja bez fermentacije ili sa kratkotrajnom fermentacijom, ne primenjuje se udaranje, pošto testo nema dovoljno vremena da se razvije. Dobijeni rezultat obično predstavljaju krupnija zrna u hlebu. Delimično rešenje ovog problema je mešanje u delimičnom vakuumu. To povećava veličinu mehurića i omogućava im da se podele na mnogo manjih mehurića, što doprinosi boljoj teksturi mrvica.

Pored proizvodnje gasam kvasac takođe utiče i na reologiju testa. Efekti kvasca na reologiju testa se najbolje mogu prikazati jednostavnim testom širenja. Testo ima i karakteristiku viskoznog protoka i elastičnosti. Testo koje ima više karakteristika viskoznog protoka ima i veći odnos širenja (širina testa podeljena visinom), dok testo koje je elastičnije ima manji. Testo napravljeno od brašna i vode, bez kvasca, daje veći odnos širenja nakon tri sata, nego testo napravljeno od brašna i vode, fermentisano kvascem. Ovo ukazuje na to da su karakteristike viskoznog protoka veće kod testa napravljenog od testa i brašna. Dodavanje kvasca formuli, stoga, dovodi do promene karakteristika testa: karakteristike viskoznog protoka se smanjuju, a povećavaju se karakteristike elastičnosti. Dokazano je da porast vodonik peroksida proizvedenog od kvasca tokom fermentacije utiče na reološke karakteristike kvasca.

Optimalno fermentisano i oksidovano testo nema karakteristike viskoznog toka usled silom zemljine teže u fazi dizanja. Tako se testo u plehu više širi nego što ispunjava pleh. Nakon fermentacije, verovatno zbog mehaničkog udaranja, vlakna glutena se poravnavaju. Promena pH povezana sa vremenom fermentacije je takođe važna za reološke karakteristike testa. Testo izvađeno iz mešalice ima pH oko 6,0. Tokom fermentacije pH pada na 5,0. Brzi pad je prvo izazvan rastvaranjem ugljen dioksida u vodi, što daje ugljenu kiselinu. Drugi faktor je spora proizvodnja organskih kiselina od strane bakterija u testu. Samo brašno i proteini mleka ili soje (ako su prisutni u formuli) su dobri puferi i zato pomažu da se kontroliše pH. Niži pH smanjuje vreme mešenja testa. Ovo je bar delimično razlog za kraće vreme mešenja u dvofaznom sistemu pravljenja hleba ili sistemu pre-fermentacije, nego u jednofaznom sistemu. Ipak, promena pH ima malo uticaja na brzinu širenja testa.

Hemijsko kišeljenje

Sistemi za hemijsko kišeljenje su poznati od kada je formulisan prvi prašak za pecivo 1838. godine, u Engleskoj, a veruje se da se kuhinjska so koristi kao izvor ugljen dioksida još od 14-tog veka. Postoje dva osnovna tipa hemijskog kišeljenja: razlaganje i hemijska neutralizacija. Razlaganje, odnosno lomljenje sredstava za kišeljnje se dešava u prisustvu vlage ili toplote. Najčešći primer razlaganja je korišćenje amonijum bikarbonata koji prolazi kroz toplotno razlaganje na oko 60◦C.

Kada proizvod u peći dostigne ovu temperaturu, amonijum bikarbonat se brzo razlaže na amonijak, ugljen dioksid i vodu:

NH₄HCO₃→NH₃+CO₂+H₂O

Kišeljenje razlaganjem amonijum bikarbonata se može koristiti samo kod proizvoda koji su tanki i pečeni na niskim nivoima vlage (manjim od 5%). Ako proizvod zadrži više od nekoliko procenata vode, on takođe zadržava rastvoreni amonijak, a čak i male količine amonijaka u proizvodu su povezane sa gubitkom ukusa i čine proizvod nejestivim. Amonijum bikarbonat se prilično koristi kod suvih kolača i kod nekih vrsta krekera. Ono nema prednost da ne taloži so nakon razlaganja. Nataložena so može uticati na ukus, reologiju testa ili na oboje.

Hemijska neutralizacija je proces u kojem se izvor bikarbonata neutrališe kiselinom (HX) uz oslobađanje ugljen dioksida kao gasa za kišeljenje:

NaHCO₃+HX→NaX+H₂O+CO₂

Jednom kada bikarbonat dođe u kontakt sa vodom u testu ili sistemu pravljenja smese ono se brzo rastvara i reaguje sa kiselinom u proizvodnji ugljen dioksida. Pošto se ne proizvodi amonijak ova reakcija je pogodna za kišeljenje visoko-vlažnih pekarskih proizvoda. Ugljen dioksid može postojati kao slobodan CO₂, kao ili . Relativan odnos svakog je određen sa pH i temperaturom rastvora. Brzina na kojoj se oslobađa ugljen dioksid iz bikarbonata zavisi od brzine na kojoj proton iz kiseline postaje dostupan reakciji sa bikarbonatom. Nijedan CO₂ nije dostupan ako pH ostaje iznad 8,0. Mnogi proizvodi od mekane pšenice završavaju sa pH blizu 7,0, dok je samo deo ugljen dioksida u gasnom stanju. Da bi se proizvele značajne količine gasa, testo ili smesa moraju sadržati kiselinu. Mnogi sastojci koji se koriste u pekarstvu su izvori kiseline. Kiselo voće ili kiselo mleko su očigledni primeri. Ako nijedna kiselina nije prirodno prisutna, ona se dodaje formuli. Da bi se odredio ispravan nivo sredstva za kišeljenje i kiseline, definisana je neutralna vrednost. Ona označava delove težine kuhinjske soli koje će neutralisati 100 delova težine kiseline za kišeljenje.

Time je dovoljna kiselost za neutralisanje bikarbonata, a posledično, oslobođenje svog ugljen dioksida obezbeđena, tako da nakon pečenja ostaje malo, ili nimalo, nereagovanog bikarbonata ili kiseline. U pekarskoj industriji se koristi nekoliko vrsta kiselina. Sve one imaju različito vreme oslobađanja, i kinetičku reakciju na različitim temperaturama. Uobičajeno korišćene kiseline uključuju tartar kremu (kalijum hidrogen tartrat KHC₄H₄O₆), tartarnu kiselinu (C₄H₆O₆), δ-glukonolakton (C₆O₆H₁₀) i različita natrijum-aluminijum-klacijum fosfat jedinjenja.

Najpopularnije sredstvo za kišeljnje je natrijum bikarbonat (soda bikarbona). Popularnost natrijum bikarbonata potiče od njegovih brojnih prednosti. On je relativno jeftin, nije toksičan, njime se lako rukuje, daje relativno ukusan krajnji proizvod, a komercijalno proizvedeni proizvod je visoke čistoće. Natrijum bikarbonat se razlaže pri zagrevanju od oko 90^oC u vodenom sistemu, oslobađajući pola oslobođenog ugljen dioksida, a ostatak postaje natrijum karbonat.

Sistemi za kišeljnje korišćeni u industrijskim pekarskim formulama su često posebno napravljeni, obuhvatajući uravnoteženu mešavinu hemikalija zasićenih vazduhom kako bi se dobio složeni prašak za pecivo. Ove mešavine su prilagođene specifičnim zahtevima procesa, ili zabranama i poželjnim organoleptičnim i tehničkim karakteristikama proizvoda. Oni mogu kombinovati različite bikarbonate i kiseline i deluju jedno-, ili dvofazno. Dvofazni prašak za pecivo je onaj koji sadrži dve kiseline, jednu koja reaguje (postaje rastvorljiva) na sobnoj temperaturi i drugu koja reaguje kada se proizvod zagreva (sredstva za kišeljenje koja se aktiviraju zagrevanjem).

Zatvorena sredstva za kišeljenje deluju ispravnim oslobađanjem i kinetikom prenošenja. Na primer, zatvorene kiseline i zatvoreni natrijum bikarbonat su dostupni kao sistemi za kišeljenje aktivirani toplotom. Pored njihovog efekta kišeljenja, i u nekim slučajevima njihovog efekta na ukus proizvoda, zbog soli proizvedene tokom reakcije kišeljenjem hemijska sredstva za kišeljenje takođe mogu uticati na reologiju proizvoda.

Generalno, dvo- ili trovalentni joni imaju tendenciju da povećaju elastičnost završnog proizvoda (pogotovo kolačića), a sulfatni joni imaju tendenciju da smanjuju njegovu elastičnost. Ovi joni verovatno deluju tako što utiču na jonske ukrštene veze kod proteina u slatkom testu. Osušeni skrob se obično koristi kao inertni diluent u praškovima za peciva. Njegova primarna funkcija je da fizički odvoji čestice sode i kiseline, i spreči njihovu preranu reakciju.

Moć zadržavanja gasa

Mehanika mehura pokazuje da je pritisak P u mehuru povezan sa poluprečnikom mehura r i pritiskom na graničnoj površini γ u sledećem odnosu:

P = 2γ / r

Tako, u sistemu gde se ne menja pritisak na graničnoj površini, ako r dostigne nulu, onda je pritisak koji je potreban da nastane novi mehur, beskonačan. Ovo ukazuje da kvasac ne može stvoriti nove mehure u sistemu testa i da se vazduh mora uneti u testo tokom mešanja, kako bi se dobili prethodno postojeći mehuri.

U mešanom hlebnom testu, nerastvorljivi, ali visoko hidratizovani sistem proteina glutena čini kontinuiranu fazu zajedno sa skrobom i mehurima vazduha kao fazama prekida. Takođe se kroz vodeni sistem rasipaju ćelije kvasca, koje fermentišu šećer i, između ostalog, proizvode CO₂. CO₂ se proizvodi u vodenoj fazi i zasićuje vodu. Jednom kada je voda zasićena, novi stvoreni CO₂ mora pronaći mesto na koje će otići. Kao što je gore objašnjeno, on ne može formirati nove mehure; tako CO2 ulazi u prethodno stvorene mehure vazduha i povećava pritisak. Testo ima karakteristike toka viskoziteta i tako omogućava mehuru da se širi kako bi se izjednačio pritisak. CO₂ u mehuru se ne može raspršiti napolje zato što je vodena faza koja okružuje mehur zasićena sa CO₂. Tako je ukupan obim testa povećana, ili drugačije rečeno, testo je nadošlo. Opisano je korišćenje ultrazvuka za ispitivanje ćelijske strukture hleba i verovatno testa.