CC BY
39
УДК 534-8:664.654:663.126
DOI 10.24412/2311-6447-2021-3-108-114
Влияние низкочастотной ультразвуковой кавитации на активизацию пекарских дрожжей
The influence of low-frequency ultrasonic cavitation on the bakery yeast activation
Доцент E.C. Красникова (ORCID 0000-0003-4395-5862), доцент А.В. Красников (ORCID 0000-0002-4127-8725),
(Мичуринский государственный аграрный университет) кафедра зоотехнии и ветеринарии,
тел. 8-986-989-31-97
E-mail: krasnikovaes77(fl:vandex.ru
профессор В.А. Бабушкин (ORCID 0000-0001-7111-322Х), (Мичуринский государственный аграрный университет) кафедра технологии продуктов питания и товароведения, тел +7 (47545) 3-88-01, доб. 201 E-mail: babushkin@mgau.ru
доцент Н.Л. Моргунова (ORCID 0000-0003-1671-0528) (Саратовский государственный аграрный университет) кафедра технологии продуктов питания, тел. 8-917-217-63-94 E-mail: morgunovanlv/mail.ru
Associate Professor E.S. Krasnikova, Associate Professor A.V. Krasnikov, (Michurinsk State Agrarian University) chair of animal science and veterinary medicine, tel. 8-986-989-31-97 E-mail: krasnikovaes77(fl:vandex.ru Professor V.A. Babushkin, (Michurinsk State Agrarian University) chair of food technology and commodity science, tel. +7 (47545) 3-88-01, (201) E-mail: babushkinffljmgau.ru
Associate Professor N.L. Morgunova (Saratov State Agrarian University) chair of food technology, tel. 8-917-217-63-94 E-mail: morgunovanlfemail.ru
Реферат. Известны различные технологии активации дрожжей для улучшения качества конечного продукта. Поскольку низкочастотный ультразвук не оказывает разрушающего воздействия на клетки дрожжей, целью нашего исследования стало испытание новой технологии активации пекарских дрожжей с использованием низкочастотной ультразвуковой кавитации. Объектом исследования послужили дрожжи хлебопекарные сушеные активные. С их применением выпекали белый хлеб опар-ным способом. Было показано, что предварительная обработка хлебопекарных дрожжей ультразвуком с частотой 35 кГц, интенсивностью 0,5-1,0 Вт/см2 с экспозицией в течение 1 и 3 минут способствует улучшению технологических свойств хлебопекарных дрожжей. После обработки ультразвуком удельная скорость роста дрожжей увеличивалась в 1,8-2,7 раза, а подъемная сила возрастала в 1,2-1,6 раз. Хлеб, выпеченный из приготовленного на основе обработанных ультразвуком дрожжей теста, имел улучшенные физико-химические и органолептические показатели по сравнению с традиционным хлебом. Наилучшие результаты были получены после предварительной обработки суспензии пекарских дрожжей ультразвуком с частотой 35 кГц, интенсивностью 1 Вт/см2 и экспозицией в течение 3 мин. Данное явление можно объяснить тем, что ультразвук низкой частоты способствует разделению дрожжевых конгломератов на отдельные клетки, активирует ферментные системы хлебопекарных дрожжей и водную фазу закваски.
Summary. Various approaches are used to improve baker's yeast technological properties of and final products quality. Because of low-frequency ultrasound does not have a destructive effect on yeast cells, the aim of our research is study of the influence of low-frequency ultrasonic cavitation on the bakery yeast technological properties. The object of the study was dried active baker's yeast. White bread was baked using ferment and dough method. It was shown that precure of baker's yeast with ultrasound at a frequency of 35 kHz, an intensity of 0.5-1 W/cm2 and an exposure of 1 and 3 minutes redound to improving the baker's
О E.C. Красникова, A.B. Красников, В.А. Бабушкин, Н.Л. Моргунова, 2021
yeast technological properties. The yeast specific growth rate increases by 1.8-2.7 times, and yeast rising power - by 1.2-1.6 times. At the same time, baked with ultrasonic-treated yeast bread has significantly improved physicochemical and organoleptic characteristics compared to traditional bread. The best results are obtained after precure of baker's yeast suspension with ultrasound at a frequency of 35 kHz, an intensity of 1 W/cm2 and an exposure of 3 minutes. This phenomenon can be explained by the fact that low frequency ultrasound promotes the separation of yeast conglomerates into individual cells, activates the enzyme systems of baker's yeast and the aqueous phase of the starter culture.
Ключевые слова: ультразвук, кавитация, хлебопекарные дрожжи, удельная скорость роста, подъемная сила, органолептпческне свойства хлеба, физико-химические свойства мякиша.
Keywords: ultrasound, cavitation, baker's yeast, specific growth rate, yeast rising power, bread organoleptic properties, crumb physicochemical properties.
Пекарские дрожжи представляют собой технически чистую культуру микроорганизмов, относящихся к роду Saccharomyces. При производстве пшеничного хлеба применяют дрожжи Saccharomyces cerevisiae. В производстве используют разные расы дрожжей - разновидности, различающиеся по одной или нескольким технологическим особенностям. Технологическая роль дрожжей заключается в том, что они осуществляют спиртовое брожение, выделяя значительное количество углекислого газа и образуя спирт и различные ароматические вещества, тем самым влияя на технологический процесс и сенсорные свойства готового продукта. Основное технологическое требование к хлебопекарным дрожжам заключается в том, что они должны обладать высокой бродильной энергией: мальтазной и зимазной активностью, характеризующей способность дрожжей гидролизовать мальтозу и глюкозу муки, выражающейся в увеличении подъемной силы дрожжей, то есть скорости подъема теста, составленного по определенной рецептуре (ГОСТ Р 54845-2011).
Для улучшения технологических свойств хлебопекарных дрожжей и повышения качества готового продукта используют различные подходы: изменение композиции мучной смеси [1], генетические трансформации и искусственную селекцию дрожжей [2], комбинированные закваски с добавлением к дрожжам молочнокислых бактерий [3], применение в хлебопечении нетрадиционных штаммов дрожжей [4], особый способ формирования и подготовки субстрата, повышающий биодоступность его компонентов для дрожжевых клеток [5]. Предподготовку часто осуществляют с применением ультразвука.
Ультразвук высокой частоты используют для разрушения дрожжевых клеток, например, с целью обогащения вина и пива биологически активными веществами, содержащимися в этих микроорганизмах [б, 7]. Ультразвук низкой, пороговой частоты не оказывает губительного действия на дрожжевые клетки, его даже используют для измерения концентрации дрожжей в жидкой суспензии [8].
Цель исследований - изучение влияния низкочастотной ультразвуковой кавитации на технологические свойства пекарских дрожжей. В задачи исследования входило изучение влияния ультразвука на удельную скорость роста и подъемную силу дрожжей, а также на физико-химические и органолептические свойства выпекаемого с их помощью хлеба. Объектом исследования послужили дрожжи хлебопекарные сушеные активные Saf-levure (Франция).
Для изучения влияния ультразвука на удельную скорость роста дрожжей по 4 г сухих пекарских дрожжей растворяли в 5 колбах с 210 мл водопроводной воды температурой 35 °С и оставляли на 10 мин до полного растворения дрожжей в воде. Затем образцы обрабатывали в ультразвуковой ванне «Град» (Россия) с разной интенсивностью (1} и временем обработки (i) при частоте if) 35 кГц (табл. 1).
Таблица 1
Матрица эксперимента
№ пробы 1 2 3 4 5
f= 35 кГц
Параметры обработки 1=1 мин t = 3 мин
7 = 0,5 Вт/см~ - +
+
7 = 1,0 Вт/см2 +
+
Удельную скорость роста дрожжей рассчитывали по общепринятой методике [9]. С этой целью из каждой пробы до и после обработки ультразвуком готовили ряд последовательных разведений на стерильном физиологическом растворе. Из разведений Г106 и 110 8 делали высевы «газоном» в чашки Петри на агар Сабуро в троекратной повторности. Чашки инкубировали в термостате при 35±1 °С. Окончательный учет количества выросших колоний осуществляли через 48 ч.
По полученным данным рассчитывали удельную скорость роста дрожжей или коэффициент роста {Кр) по следующей формуле
Кр = 2,303(1дА2 - 1дА\) / (Ь-й),
>
где Л1 -количество дрожжевых клеток при первом высеве, КОЕ/мл; Аг-количество дрожжевых клеток при втором высеве, КОЕ/мл; - Í2) - интервал времени между высевами, ч.
Подъемную силу дрожжей определяли согласно ГОСТ Р 54731-2011. Для этого осуществляли пересчет сухой дрожжевой массы, соответствующей массе прессованных дрожжей по формуле
т = Шрг (100-Шрг) / (100- Щ, где трг -масса прессованных дрожжей, г; \¥рг - влажность прессованных дрожжей, %; Ш - влажность сухих дрожжей, %.
Затем проводили выпечку всех образцов хлеба и анализировали их физико-химические и органолептнческие свойства. Для приготовления теста опарным способом использовали следующие ингредиенты: вода водопроводная - 210 мл, пшеничная мука высшего сорта - 450 г, соль -4 г, сахар -37 г, масло растительное рафинированное -17 г, дрожжи сухие активные -4 г.
После выпечки в печи 1ШОХ (Италия) при температурах 160 °С (верх) и 220 °С (низ) в течение 30-40 мин и остывания хлеба, его влажность определяли по ГОСТ 21094-75, кислотность хлебного мякиша - по ГОСТ 5670-96, пористость - по ГОСТ 5669-96. Органолептические показатели хлеба оценивали согласно ГОСТ 5667-65.
Данные по удельной скорости роста дрожжей при различных условиях обработки образцов ультразвуком представлены в табл. 2.
Таблица 2
Удельная скорость роста дрожжей
№ пробы Параметры обработки Кр, КОЕ/ч
1 Без обработки 2.04+0.19
2 7=0,5 Вт/см; 1= 1 мин; /=35 кГц 3.61±0.36*
3 7=0,5 Вт/см; í= 3 мин; 7=35 кГц 3.63±0.36*
4 7=1 Вт/см; 1 мин; /=35 кГц 3.79±0.38*
5 7=1 Вт/см; 1= 3 мин; /=35 кГц 5.44±0.32*#
* - различие статистически достоверно между опытной и контрольной пробами; # - различие статистически достоверно между опытными пробами; (Р 5 0,05 при t критическом 2,10).
Как следует из табл. 2, воздействие кавитации стимулирует рост и размножение дрожжей. После воздействия ультразвуком показатель Кр возрос в 1,8-2,7 раз. По нашему мнению, это связано с тем, что при воздействии ультразвука низких частот на содержащую дрожжи суспензию происходит стимулирование жизнедеятельности дрожжей за счет механического разделения их скоплений с образованием отдельных жизнеспособных клеток, дающих начало новым колониям. Наилучший показатель удельной скорости роста наблюдали при интенсивности 1 Вт/см и времени воздействия 3 мин. При этом, судя по динамике, лимитирующим фактором в данном случае было время воздействия. Это можно объяснить тем, что ультразвуковая энергия распространяется в жидкости от локализованного источника. Объемная плотность энергии ультразвука в облучаемом пространстве является неравномерной. У источника колебаний дрожжевые клетки быстро стимулируются. Для воздействия на клетки во всем облучаемом объеме необходимо какое-то время, пусть и не продолжительное (рис. 1).
60
50
40
30
10
11111
№ образца
Рис. 1. Подъемная сила дрожжей Как показано на рис. 1, подъемная сила дрожжей достоверно увеличивалась после воздействия на них ультразвуком. После воздействия ультразвуком интенсивностью 0,5 Вт/см2 в пробах 2 и 3 подъемная сила дрожжей возросла в 1,2 и 1,3 раз соответственно. При этом показатели образцов 2 и 3 не имели достоверных отличий между собой, но имели достоверные отличия от контроля и от показателей подъемной силы дрожжей в образцах 4 и 5. Подъемная сила дрожжей в 4 и 5 образцах достоверно отличалась от контроля, этот показатель был выше в 1,5 и 1,6 раз соответственно. Следовательно, лимитирующим фактором при изменении данного показателя является интенсивность ультразвука. Это можно объяснить тем, что вода под действием ультразвука диссоциирует на ионы Н+ и ОН- с последующим образованием активных молекул, что способствует гидролизу Сахаров крахмала и создает условия для активной жизнедеятельности дрожжей, в том числе по водородному показателю среды. Кроме того, ультразвук деструктурирует воду, разрывая в ней водородные связи между молекулами, то есть делает молекулы воды более активными для ускорения гидратации биополимеров муки.
Так как ультразвуковую обработку мы проводили в водной фазе, которую потом использовали для приготовления опары, подъемная сила дрожжей увеличивалась, а время созревания теста уменьшалось. Что связано не только с увеличением количества активированных дрожжей, но и с увеличением активности воды. После выпечки исследовали физико-химические и органолептические показатели готового продукта. Результаты исследования показаны в табл. 3 и на рис. 2.
Таблица 3
Физико-химические показатели мякиша хлеба
О
о
1
2
4
5
№ образца Кислотность, ° Влажность, % Пористость, %
1 1,8+0,2 40,0±3,9 20,1±1,9
2 1,7±0,1 34,6±3,4* 32,7±3,2*
3 1,6+0,1* 33,8+3,3* 45,4+4,4*#
4 1,5±0,1* 32,7±3,2* 47,6±4,6*
5 1,5±0,1* 31,5+3,1* 50,2±4,9*#
* - различие статистически достоверно между опытной и контрольной пробами; # -различие статистически достоверно между опытными пробами; (Р<0,05 при ¿критическом 2,10).
Как следует из табл. 3, кислотность и влажность продукта уменьшались в 1,2 и 1,3 раз максимум с увеличением времени и интенсивности влияния кавитации. В то время как пористость хлебного мякиша увеличивалась в 1,6-2,5 раз в зависимости от условий воздействия ультразвуком на дрожжи. Первый фактор объясняет более пресный вкус хлеба и может быть связан с тем, что время расстойки теста несколько сокращалось. Второй и третий факторы могут быть обусловлены более интенсивным процессом газообразования в продукте, они способствуют более полной усвояемости хлеба в результате облегчения разжёвываемости и пропитывания его слюной.
форма
-Контроль -1 мин. 0.5 Вт/см2-3 мин. 0.5 Вт/см2
-1 мин. 1 Вт/см2 -3 мин. 1 Вт/см2
Рис. 2. Органолептические свойства хлеба: 1 - контроль; 2 - 1 мин, 0,5 Вт/см2; 3-3 мин, 0,5 Вт/см2; 4-1 мин, 1 Вт/см2; 5-3 мин, 1 Вт/см2
С увеличением интенсивности цвет хлебной корочки становился более румяным, цвет мякиша более светлым, а форма батона более пышной. Наибольшей приемлемостью обладал хлеб, при производстве которого использовали дрожжи с интенсивностью обработки ультразвуком 1 Вт/см2 при времени воздействия 3 мин. Ультразвуковая обработка дает еще один положительный эффект, заключающийся в повышении белизны теста, приготовленного с использованием обработанной ультразвуком суспензии. При постепенном разложении образующейся при ультразвуковой обработке перекиси водорода выделяется кислород, который обладает отбеливающими свойствами, в том числе при взаимодействии с пигментами муки.
Таким образом, разработанная технология активации дрожжей ультразвуком низкой частоты способствует улучшению их технологических свойств: более чем в 2 раза в среднем увеличивается удельная скорость роста дрожжей и более чем в 1,5 раза - их подъемная сила. При этом выпекаемый с использованием обработанных ультразвуком дрожжей хлеб имеет значительно улучшенные физико-химические и органолептические характеристики по сравнению с традиционным. Полученные нами данные подтверждаются мнением исследователей, показавших, что кавитация, порождаемая низкочастотным ультразвуком, способствует уменьшению размера частиц дрожжевого ^-глюкана, являющегося мажорным компонентом клеточной стенки дрожжей. То есть ультразвуковая индуцированная кавитация способствует лучшему энзимолизу за счет увеличения суммарной площади поверхности дрожжевых клеток и увеличения выхода клеточных энзимов [10].
ЛИТЕРАТУРА
1. Krasnikova E.S., Krasnikov A.V., Babushkin V.A. (2020). The influence of composite flour mixtures on Saccharomyces cerevisiae biotechnological properties and bread quality. IOPConf. Ser.: Earth Environ. Sci. 421: 022008.
2. Zhang C.Y., Lin X., Feng B. et al. (2016). Enhanced leavening properties of baker's yeast by reducing sucrase activity in sweet dough. Appl Microbiol Biotechnol. 100 (14):6375-83.
3. Fekri A., Torbati M., Yari Khosrowshahi A. et al. (2020). Functional effects of phytate-degrading, probiotic lactic acid bacteria and yeast strains isolated from Iranian traditional sourdough on the technological and nutritional properties of whole wheat bread. Food Chem. 306:125620.
4. Paucean A., Man S.M., Chi§ M.S. et al. (2019) Use of Pseudocereals Preferment Made with Aromatic Yeast Strains for Enhancing Wheat Bread Quality. Foods. 8(10): pii: E443.
5. Keeratipibul S., Luangsakul N., Otsuka S. et al. (2010). Application of the Chinese steamed bun starter dough (CSB-SD) in breadmaking. J Food Sci. 75(9):E596-604.
6. Garcia Martin J.F., Guillemet L., Feng C., Sun D.W. (2013). Cell viability and proteins release during ultrasound-assisted yeast lysis of light lees in model wine. Food Chem. 141(2):934-9.
7. Bertolo A.P., Biz A.P., Kempka A.P. et al. (2019) Yeast (Saccharomyces cerevisiae): evaluation of cellular disruption processes, chemical composition, functional properties and digestibility. J Food Sci Technol. 56(8):3697-3706.
8. Elvira L., Vera P., Canadas F.J. et al. (2016). Concentration measurement of yeast suspensions using high frequency ultrasound backscattering. Ultrasonics. 64:15161.
9. Панова, T.M. Получение и анализ этанола: методические указания / Т.М. Панова. - Екатеринбург, 2008. - С. 6-7.
10. Zheng Z., Huang Q., Luo X. (2019). Effects and mechanisms of ultrasound- and alkali-assisted enzymolysis on production of water-soluble yeast (3-glucan. Bioresour Technol 273:394-403.
REFERENCES
1. Krasnikova E.S., Krasnikov A.V., Babushkin V.A. (2020). The influence of composite flour mixtures on Saccharomyces cerevisiae biotechnological properties and bread quality. IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 421: 022008.
2. Zhang C.Y., Lin X., Feng B. et al. (2016). Enhanced leavening properties of baker's yeast by reducing sucrase activity in sweet dough. Appl Microbiol Biotechnol. 100(14):6375-83.
3. Fekri A., Torbati M., Yari Khosrowshahi A. et al. (2020). Functional effects of phytate-degrading, probiotic lactic acid bacteria and yeast strains isolated from Iranian traditional sourdough on the technological and nutritional properties of whole wheat bread. Food Chem. 306:125620.
4. Paucean A., Man S.M., Chi§ M.S. et al. (2019) Use of Pseudocereals Preferment Made with Aromatic Yeast Strains for Enhancing Wheat Bread Quality. Foods. 8(10): pii: E443.
5. Keeratipibul S., Luangsakul N., Otsuka S. et al. (2010). Application of the Chinese steamed bun starter dough (CSB-SD) in breadmaking. J Food Sci. 75(9):E596-604.
6. Garcia Martin J.F., Guillemet L., Feng C., Sun D.W. (2013). Cell viability and proteins release during ultrasound-assisted yeast lysis of light lees in model wine. Food Chem. 141(2):934-9.
7. Bertolo A.P., Biz A.P., Kempka A.P. et al. (2019) Yeast (Saccharomyces cere-visiae): evaluation of cellular disruption processes, chemical composition, functional properties and digestibility. J Food Sci Technol. 56(8):3697-3706.
8. Elvira L., Vera P., Cañadas F.J. et al. (2016). Concentration measurement of yeast suspensions using high frequency ultrasound backscattering. Ultrasonics. 64:151-61.
9. Panova, T.M. Poluchenie i analiz etanola: metodicheskie ukazaniya / T.M. Panova. - Ekaterinburg, 2008. - S. 6-7.
10. Zheng Z., Huang Q., Luo X. (2019). Effects and mechanisms of ultrasound-and alkali-assisted enzymolysis on production of water-soluble yeast P glucan. Biore-sour Technol. 273:394-403.
