NOWOCZESNE TECHNOLOGIE ZAMRAZANIA PIECZYWA I WYROBOW CUKIERNICZYCH Przygotowała Anna Kanka Sem. IX SmiUChiK
Wprowadzenie Jednym z mniej znanych zastosowań technologii chłodniczej w przetwórstwie spoŝywczym jest wykorzystanie niskich temperatur do utrwalania pieczywa i wyrobów cukierniczych. Przez pieczywo rozumie się szeroki asortyment podstawowych produktów Ŝywnościowych, stanowiących wypieki ciasta sporządzonego z mąki, wody, soli i ewentualnie innych dodatków, spulchnianego przy uŝyciu droŝdŝy, zakwasu lub środków chemicznych. Podstawowa róŝnica pomiędzy pieczywem i wyrobami cukierniczymi polega na zasadniczo innym sumarycznym udziale surowców dodatkowych w stosunku do masy mąki. W składzie recepturowym pieczywa zawartość tych surowców (głównie tłuszczu i cukru) kształtuje się na poziomie do ok. 11%, w wyrobach cukierniczych sięga często powyŝej 40%, co oczywiście w sposób istotny wpływa na walory uŝytkowe i sensoryczne obu rodzajów produktów. Z towaroznawczego punku widzenia wyroby cukiernicze dzielą się na: - trwałe (herbatniki, pierniki, wafle, suchary) - nietrwałe (torty, ciastka, pączki) WyróŜnia się teŝ grupę luksusowych wyrobów półcukierniczych (chałwy, rogale, bułki maślane) z dodatkiem tłuszczu i cukru > 15%. Przedmiotem zainteresowania technologii chłodniczej są: pieczywo oraz nietrwałe wyroby cukiernicze i półcukiernicze. Tradycyjny schemat produkcji pieczywa obejmuje następujące zasadnicze operacje technologiczne: - przygotowanie i tzw. Prowadzenie ciasta (wymieszanie mąki z odpowiednią ilością wody celem spęcznienia glutenu tworzącego szkielet ciasta, a następnie kształtowanie jego parametrów, zwłaszcza konsystencji, z dostosowaniem do warunków namnaŝania droŝdŝy) - rozrost tj. fermentację ciasta lub uformowanych z niego wyrobów (wydzielające się w tym procesie pęcherzyki CO2 ulegają zatrzymaniu w cieście i powodują jego rośnięcie) - wypiek w piecach piekarskich w temperaturze 200-300 ºC (małe sztuki), lub 230-250 ºC (większe bochenki). Jednym z podstawowych problemów technologicznych w produkcji pieczywa są zmiany chemiczne i fizyczne, zachodzące w produktach po wypieku, określone jako czerstwienie. Objawami czerstwienia jest spadek wilgotności i elastyczności miąŝszu, jego twardnienie i podatność na kruszenie, zanik chrupkości skórki i innych cech sensorycznych, typowych dla produktu świeŝego. Główną przyczyną tych zjawisk są zmiany w rozmieszczeniu wody pomiędzy węglowodowymi i białkowymi składnikami pieczywa oraz zmiany we współdziałaniu i w wewnętrznych strukturach tych składników, a w tym zwłaszcza tzw rertogradacji skrobi tj to jest jej przekształcenie z formy bezpostaciowej w krystaliczną, z jednoczesnym wydzieleniem wody. Szybkość czerstwienia pieczywa zaleŝy od wielu czynników: - rodzaju produktu - jakości uŝytej mąki - dodatków do ciasta - przebiegu procesów produkcji
- rodzaju opakowania - warunków zamraŝania - warunków przechowywania Czerstwienie jest głównym czynnikiem powodującym szybkie starzenie się pieczywa oraz stratę jego naturalnych jego walorów uŝytkowych i przydatności konsumpcyjnej. Liczne dotychczas próby ograniczenia intensywności czerstwienia i poprawy jakości i trwałości pieczywa przy zastosowaniu tradycyjnych dla piekarstwa zabiegów, ukierunkowane były na zwiększenie ilości dostępnej wody, wzrost lepkości i hydrofilności miękiszu a przede wszystkim na ograniczenie retrogradacji skrobi. Stosowane w tym celu dodatki określonych substancji oraz tzw polepszacze nie rozwiązały w pełni problemu, co skłoniło branŝę piekarską do zainteresowania się moŝliwościami, jakie w tym zakresie stwarzało wykorzystanie niskich temperatur. Technologia zamraŝania i przechowywania pieczywa Punktem wyjścia do opracowania technologii zamraŝania pieczywa było stwierdzenie, Ŝe szybkość procesów czerstwienia jest silnie zaleŝne od temperatury. Doświadczalnie ustalony wpływ temperatury wypieczonego pieczywa przedstawiono w ujęciu jakościowym na rysunku poniŝej: wpływ temperatury na szybkość czerstwienia pieczywa w ujęciu jakościowym Jak wynika z wykresu, proces ten rozpoczyna się krótko po wyjęciu z pieca i wystudzeniu do ok. 60 ºC i trwa z nasilającą się w miarę jego schładzania dynamiką w całym zakresie temperatur plusowych. Przy temperaturze wewnętrznej od 2 do 3 ºC szybkość czerstwienia pieczywa osiąga maksimum i z dalszym spadkiem temperatury silnie maleje, ulegając efektywnemu zahamowaniu poniŝej 7 ºC, głównie w wyniku przerwania retrigradacji skrobi. W temperaturze 7 ºC rozpoczyna się równieŝ wymarzanie zawartej w pieczywie wody i ograniczenie całokształtu wszystkich innych przemian. W praktyce technologicznej cały wierzchołek wykresu od ok. 10 do 7 ºC, w którego obszarze mają miejsce najbardziej intensywne procesy starzenia produktów piekarskich uznany został za krytyczny, z zaleceniem aby zarówno w cyklach zamraŝania, jak i rozmraŝania pieczywa dąŝyc do jego przechodzenia tak szybko, jak to jest moŝliwe. Sposoby zamraŝania produktów:
a) zamraŝanie owiewowe zamraŝanie wypieczonych wyrobów piekarskich odbywa się zwykle w tunelach owiewowych i powinno być prowadzone do temperatury wewnętrznej 18 ºC. Proces zamraŝania pieczywa jest dość powolny, wskutek porowatości produktu i ich małego współczynnika przewodzenia ciepła. Ogólnie przyjętą zasadą jest przemysłowe zamraŝanie pieczywa w opakowaniach, niezaleŝnie od zakładanego czasu ich przechowywania. Opakowania ściśle przylegające do powierzchni produktu praktycznie nie wpływają na szybkość zamraŝania. Najlepsze są opakowania próŝniowe, całkowicie eliminujące izolującą warstewkę powietrza wewnątrz opakowania. Czas zamraŝania zaleŝy głównie od temperatury powietrza, przy niewielkim wpływie nawet intensywnej wentylacji w aparatach owiewowych i wynosi ok. 1-1,5 h dla bułek i ok..3-4 h dla chleba. Zalecana jest temperatura prowadzenia procesu od -30 do 35 ºC przy umiarkowanej prędkości strumienia powietrza 2-3 m/s, pozwalająca w miarę szybko przekraczać krytyczny zakres temperatury maksymalnego czerstwienia. Krótszy proces nie wpływa na dalszą poprawę jakości, dłuŝsze zamraŝanie i nadmierne obniŝenie końcowej temperatury wewnętrznej produktów działa niekorzystnie. Schemat przykładowego tunelu spiralno-tacowego da zamraŝania owiewowego 1- osie mechanizmów spirali 2- tace z produktem 3- wentylator 4- parownik b) zamraŝanie kriogeniczne znacznie bardziej efektywne jest praktykowane od ponad 30 lat zamraŝanie kriogenizne pieczywa, osiągane przy stosunkowo małym zuŝyciu czynnika ( z uwagi na małe ciepło zamraŝania). Dodatkowe zalety tej metody, to znacznie mniejsze koszty inwestycyjne i zapotrzebowanie powierzchni produkcyjnej
niŝ przy tradycyjnym zamraŝaniu owiewowym. Przechowywanie zamroŝonego pieczywa nie wymaga zbyt niskiej temperatury. Za optymalne traktowane są temperatury od 18 do 20 ºC. NiŜsze temperatury nie są wskazane ze względu na moŝliwość wymroŝenia wody z układu koloidalnego skrobia-woda i krystalizacji skleikowanej skrobi. Przy stosunkowo krótkich 6-8 tygodniowych okresach przechowywania. Schemat urządzenia stosowanego do zamraŝania kriogenicznego 1- zbiornik ciekłego czynnika 2- wprowadzenie świeŝego produktu 3- natrysk ciekłego czynnika 4- wyciąg gazu 5- wylot zamroŝonego produktu Technologia odroczonego wypieku pieczywa O ile zamraŝanie gotowych wypieków znane jest od dawna, dopiero ostatnio rozwijana jest technologia zamraŝania półproduktów w postaci kęsów ciasta spulchnianego droŝdŝami. Idea wykorzystania obniŝonej temperatury do kształtowania aktywności droŝdŝy i szybkości powodowanych przez nie procesów fermentacji ciasta nie jest nowa. Współczesna technologia tzn odroczonego wypieku pieczywa jest rozwinięciem pochodzącej z lat 50. metody chłodniczego fermentacji przed wypiekiem i polega na czasowym całkowitym przerwaniu tych procesów przez zamroŝenie ciasta do temperatury wewnętrznej < -10 ºC, z pominięciem rozrostu lub w odpowiedniej pod względem technologicznym jego wstępnej fazie. Technologia ta umoŝliwia nieosiągalne innymi metodami, odwracalne przerwanie procesu produkcji pieczywa droŝdŝowego i przygotowanie w czasie dogodnym dl piekarni zapasu ciasta z przeznaczeniem do późniejszego wypieku. Jednocześnie pozwala ona ograniczyć wszystkie zachodzące w cieście, zakłócające procesy enzymatyczne, mikrobiologiczne i oksydacyjne. Cykl technologiczny odroczonego wypieku przebiega w dwóch etapach. W pierwszym z nich przygotowane tradycyjnie ciasto podlega intensywnemu mieszaniu w temperaturze ok. 25 ºC, a następnie jest dzielone na kęsy, które po uformowaniu i zapakowaniu są zamraŝane i
przechowywane w stanie zamroŝonym. Szybkość zamraŝania kęsów wpływa na strukturę komórkową ciasta i na liczbę zachowanych w nim komórek droŝdŝowych. Badania Neyreneufa i Nitschego wykazały, Ŝe plastry surowego ciasta grubości 20 mm zamroŝone powoli (90 min) do 20 ºC, podczas rozmraŝania wywoływały szybszą i bardziej intensywną produkcję dwutlenku węgla niŝ analogiczne próbki zamroŝone szybko w ciągu 20min. W cieście zamroŝonym zachowane były lepiej równieŝ Ŝywe komórki droŝdŝy, zarówno bezpośrednio po rozmnoŝeniu jak i po 7 dniach przechowywania. Drugi etap obejmuje kontrolowane rozmraŝanie i wstępne ogrzewanie kęsów w pomieszczeniu o temperaturze pokojowej, często połączone z ich ewentualnym nawilŝaniem, po czym następuje faza pełnego rozrostu w podwyŝszonej temperaturze, zwykle w specjalnych komorach fermentacyjnych z wymuszoną konwekcją i na końcu wypiek w piecach piekarskich o temperaturze ok. 220 ºC. Warunkiem uzyskania właściwych efektów wypieku rozmroŝonego surowego ciasta jest zapewnienie w ciągu 2 h jego równomiernego ogrzania do temperatury ok. 25 ºC w całej masie wprowadzonych do pieca kęsów. Częstym błędem jest rozpoczynanie odpiekania kęsów przy zbyt niskiej temperaturze. Zbyt szybkie ogrzewanie jest takŝe niekorzystne, powoduje bowiem utrzymywanie się nadmiernych róŝnic temperatury w obrębie kęsów. Schemat temperaturowego przebiegu odroczonego wypieku W przypadku wstępnego podpiekania kęsów ciasta przed ich zamroŝeniem, istnieją przesłanki do stosowania czasu wstępnego rozrostu do 25% lub powyŝej 75% nominalnego czasu tradycyjnej fermentacji, który dla drobnego pieczywa pszennego wynosi 40min. Przerwanie wstępnego podpiekania tuŝ przed początkiem karmelizacji skrobi powoduje przesunięcie procesu rumienienia powierzchni oraz tworzenia smaku i zapachu na okres po rozmroŝeniu podczas końcowego rozrostu ciasta i wypieku produktu. Krytyczną właściwością zamroŝonego półproduktu jest mała stabilnoś w niej komórek droŝdŝy, znacznie bardziej podatnych na uszkodzenia, w wyniku osłabionej odporności na niskie temperatury we wczesnych stadiach pączkowania. Stąd podstawowym problemem przy stosowaniu tej technologii jest utrzymanie aktywności komórek droŝdŝy, wystarczającej do właściwego rozrostu zamroŝonego ciasta przed wypiekiem. W droŝdŝach występuje disacharyd treholoza, która dzięki swojej strukturze i właściwościom krioprotekcyjnym chroni integralność funkcjonalną błon komórkowych, obniŝa aktywnośc wody oraz ogranicza jej krystalizacje w błonach i ich otoczeniu. Po rozpoczęciu fermentacji
przed zamroŝeniem następuje gwałtowny rozkład trehalozy i rośnie podatność droŝdŝy na niekorzystne oddziaływanie niskich temperatur. WydłuŜone zachowanie właściwych zdolności wypiekowych zamroŝonego ciasta moŝliwe jest przez stworzenie warunków minimalizujących zarówno dzielenie się komórek droŝdŝy, jak i proces rozkładu trehalozy w istniejących komórkach. Zalec się ochronę aktywności droŝdŝy przez stosowaniem tzw polepszaczy (np. lecytyna, kwas askrobiowy, bromianu potasu). Ostatnio do polepszaczy tych dodaje się takŝe amyloglukozydazę enzymu uwalniający cząstki glukozy i uruchamiający fermentację ciasta bezpośrednio po rozmnoŝeniu. PrzeŜywalność komórek droŝdŝy w cieście zaleŝy równieŝ od formy krystalizacji lodu, typowej dla róŝnych prędkości zamraŝania. Szybkość zamraŝania owiewowego ciasta chlebowego w małych kęsach wynosi ok. 0,5 K/min, natomiast w warunkach zamraŝania kriogenicznego jest wielokrotnie wyŝsza i osiąga poziom sprzyjający powstawania kryształów lodu wewnątrz Ŝywych komórek droŝdŝy, powodując zwykle śmierć znacznie większej liczby tych komórek. W przetwórstwie spoŝywczym, w tym równieŝ w technologii mroŝonej Ŝywności coraz powszechniej stosowana jest technika mikrokapsułowa, umoŝliwiająca m.in. zwiększenie trwałości stosowanych substancji dodatkowych i ich ochronę przed niekorzystnymi oddziaływaniami środowiska oraz kontrolowanie uwalnianie się na zewnątrz substancji czynnej, zamykanej w matrycy wewnątrz kapsułki nośnika. Niedawno technikę tę wdroŝono do ochrony aktywności droŝdŝy oraz zahamowania przedwczesnej reakcji wielu waŝnych dla jakości i trwałości pieczywa dodatków. Przez odpowiedni dobór materiału nośnika i technologii moŝna uzyska róŝną szybkość lub technologicznie optymalny moment uwalniania substancji z kapsułek. Uwalnianie składników moŝe zachodzić wyniku dyfuzji przez materiał nosnika, jego degradacji lub pęcznienia albo na skutek róŝnicy ciśnień osmotycznych kapsułce i na zewnątrz, pod wpływem obróbki cieplnej lub mechanicznej ciasta, albo wreście w obecności innych składników Ŝywności. Szybkość uwalniania składników zaleŝy nie tylko od rodzaju nośnika i budowy kapsułki ale równieŝ od warunków środowiska (ph, temperatury, stęŝenia róŝnych substancji, aktywności wody, ciśnienia). Technologia zamraŝania wyrobów cukierniczych ZamraŜanie jest stosowane z powodzeniem równieŝ do ciast i wyrobów cukierniczych. Wyroby cukiernicze z uwagi na większą zawartość tłuszczów i mniejszą zawartość wody, silniej związanej strukturze koloidalnej, wykazują w niskich temperaturach mniejsze zmiany niŝ pieczywo o duŝej zawartości wody. ZamraŜanie ciast i wyrobów cukierniczych stanowi najlepszą moŝliwość utrwalania ich jakości sensorycznej. Wiele rodzajów tych wyrobów moŝna zamraŝać bez Ŝadnych problemów. Dotyczy to m. In ciast kruchych (bez droŝdŝy) i ciast francuskich. Ciasta bardziej wraŝliwe na działanie obniŝonych temperatur wymagają pewnych zmian recepturowych lub technologicznych, wynikających z ich składu i specyficznych właściwości uŝytych surowców. Torty poddawane zarówno zamraŝaniu tradycyjnemu jak i kriogenicznemu, zwykle techniką LIC (przy zastosowaniu dwutlenku węgla), przy czym stosowanie powłoki i glazury są pod względem składu receptorowego i technologii przygotowania przystosowane do wymagań tej metody utrwalania.
Przy stosowaniu surowych ciast cukierniczych z powodzeniem moŝna teŝ wykorzysta technologię mikrokapsułkoania substancji smakowych i lotnych substancji aromatycznych, które w normalnym procesie pieczenia częściowo giną. Stosowany równieŝ bywa odroczony wypiek droŝdŝowych ciast cukierniczych zamraŝanych w stanie surowym, ostatnio takŝe po wstępnym rozroście, jednak ich opiekanie nie jest jeszcze w pełni zadowalające. Nie udało się równieŝ uniknąć strat objętości takich wypieków, narastających w ciągu pierwszych czterech tygodni przechowywania zamroŝonych półproduktów. Pewne ograniczenie tych strat moŝna uzyskać przez dodatki laktozy i proszku mlecznego. Zalecenia w zakresie parametrów zamraŝania i przechowywania zamroŝonych ciast i wyrobów cukierniczych w zasadzie nie odbiegają od określonych wcześniej wymagań dla pieczywa i wyrobów piekarskich, tj zamraŝania do temperatury wewnętrznej -18ºC i przechowywania równieŝ w warunkach zbliŝonych do tej temperatury, z pewną dopuszczalną tolerancją do granicznej wartości -10ºC przy krótszym składowaniu. Wnioski ZamraŜanie stanowi sprawdzoną metodę skutecznego przedłuŝania cech świeŝości oraz naturalnych walorów sensorycznych i Ŝywieniowych większości rodzajów nietrwałych ze swej natury produktów Ŝywnościowych, co zasadniczo rozszerza moŝliwości dysponowania nimi w czasie i przestrzeni. Podobnie dzieje się w branŝy piekarskiej, w której coraz bardziej powszechne i wszechstronne wdraŝenie procesów chłodniczych przynosi rosnące efekty w postaci poprawy wskaźników technologicznych i ogólnej racjonalizacji wytwarzania w sferze produkcji, powodującej wzrost dynamiki sprzedaŝy, stabilizację zaopatrzenia rynku i rozszerzenia oferty handlowej w dziedzinie obrotu towarowego. Utrwalaniem zamraŝalniczym odjęte są obecnie nie tylko gotowe wypieki pieczywa i wyrobów piekarskich oraz ciast i wyrobów cukierniczych, ale w coraz szerszym zakresie równieŝ półprodukty piekarskie, w postaci przeznaczonych na odroczony wypiek kęsów surowego lub poddanego wstępnemu rozrostowi ciasta chlebowego. Stałe doskonalenie metod technologicznych oraz poprawa efektywności ekonomicznej przemysłowego wytwarzania mroŝonych wyrobów piekarskich i cukierniczych wpływa na systematyczny wzrost udziału tej grupy wyrobów zarówno w produkcji branŝowej jak i na ogólnym rynku zamroŝonych produktów Ŝywnościowych. Szczególnie dynamiczny wzrost charakteryzuje przygotowane na bazie pieczywa zamroŝone przekąski o ogromnym bogactwie kształtów, barw, a zwłaszcza wypełnienia. Największą popularność mroŝone pieczywo zyskało w USA, w Europie. W Polsce zamraŝanie pieczywa i ciast cukierniczych znajduje się dopiero w początkowej fazie wdraŝania do praktyki przemysłowej i sieci handlowej.