Теоретические основы сушки

Все влажные материалы можно разделить на три вида: кол­лоидные, капиллярно-пористые и коллоидно-капиллярно-пористые. К коллоидным относят эластичные золи, которые при удалении влаги уменьшают свои размеры (сжимаются), но сохраняют эластичность. Капиллярно-пористые тела, или как их называют в сухом виде, хрупкие гели, охватывают материалы, которые по­сле удаления влаги мало сжимаются, становятся хрупкими и могут быть превращены в порошок. К последней группе относит­ся макаронное тесто, которое обладает свойствами первых двух тел, т. е. при обезвоживании сжимается, утрачивает эластичность и становится при определенной влажности хрупким.

В процессе сушки изменяются физико-химические, структурно-механические, теплофизические и другие свойства макаронных изделий. Особое значение имеет изменение структурно-механиче­ских свойств. Именно они непосредственно влияют на прочность готового продукта, его сохраняемость и поведение при варке.

Главные компоненты муки - белки и крахмал - различаются гигроскопическими и коллоидными свойствами. Зерна крахмала имеют кристаллическую структуру. Полагают, что между кри­сталлами находятся капилляры, обусловливающие гигроскопич­ность крахмала (100 частей сухого крахмала связывают 36 - 40 частей влаги). Однако белки более гигроскопичны (100 частей пшеничной клейковины поглощают 200 - 250 частей воды) и проч­нее, чем крахмал, удерживают влагу.

Клейковинные нити и пленки обволакивают зерна крахмала и связывают их между собой. При высыхании клейковина постепен­но переходит в прочную, твердую и стекловидную массу, сообщая эти признаки всему изделию. В то же время клейковина не утра­чивает способности вновь набухать в воде и образовывать упру­гий золь. Это свойство ее очень важно для кулинарной обработки макаронных изделий.

Макаронное тесто при высушивании крайне медленно отдает влагу. Поэтому для управления процессом обезвоживания необходимо учитывать всю совокупность свойств макаронного теста, имея в виду при этом, что основная задача технологии сушки заключается в получении продукта высокого качества при мини­мальных затратах энергии и труда.

На сушку поступают сырые макаронные изделия влажностью 28-32,5%. Сырые макаронные изделия, прошедшие стадию прессования, относятся к коагуляционным системам, для которых характерно наличие упругого кар­каса, образованного силами меж­молекулярного сцепления белковых молекул. Подобные структуры по мере обезвоживания постепенно утрачивают первоначальные свой­ства, переходя от пластического состояния через зону упруго-эла­стичных свойств к состоянию твер­дого хрупкого тела. Каждому ви­ду состояния макаронных изделий соответствует определенный диапа­зон их влажности (рис.1). Опре­делить заранее границы каждой зоны по влажности не представ­ляется возможным, так как струк­турно-механические характеристи­ки изделий помимо влажности в данный момент зависят от мно­гих других факторов: химического состава, технологических параметров, режима замеса, прессова­ния, сушки и др.

Рис.1 Диаграмма кинетики сушки макаронных изделий

I и II – первый и второй периоды сушки; К₁ и К₂ – первая и вторая критические точки; W _К1 и W_К2 – первая и вторая критические влажности; Wр – равновесная влажность; τ – длительность сушки

При сушке макаронных изделий имеет значение форма связи влаги с материалом. Известно три формы связи влаги с материалом:

1) Химическая связь проявляется в точных молекулярно-атомных соотношениях. Химически связанная вода входит в структуру мо­лекулы вещества и может быть удалена при химическом взаимо­действии или путем прокаливания и её удаление связано с разрушением вещества.

2) Физико-химическая (или термодинамическая) связь проявляет­ся в самых различных соотношениях воды и сухого вещества (влага, поглощенная белком и крахмалом при смешивании муки с водой). Эта форма включает два вида связи: адсорбционную и осмотиче­скую, оба они встречаются в коллоидных системах.

Из изложенного можно сделать вывод о том, что макаронное тесто характеризуется двумя видами физико-химической связи влаги: адсорбционным и осмотическим.

Адсорбционно связанная влага представляет собой жидкость, удерживаемую на внешней и внутренней поверхностях мицелл – частиц размером от 0,1 до 0,01 мкм, которые в макаронном тесте и сырых изделиях представляют собой отдельные свернутые цепочки молекул белка и крахмала или их группы (конгломераты).

Осмотически связанная влага находится во внутреннем пространстве мицелл.

В уплотненном макаронном тесте и сырых изделиях большая доля влаги связана осмотически.

При сушке макаронных изделий происходит удаление адсорбционно и осмотически связанной влаги, причем вначале удаляется как наименее прочносвязанная осмотическая влага, а затем как более прочносвязанная адсорбционная.

Макаронное тесто при сушке проявляет некоторые особен­ности, обусловленные характером поглощения влаги тестом при его замесе. Поскольку тесто готовят с низкой влажностью, свободной влаги в нем нет, она полностью связана белками и крахмалом (причем белки удерживают ее прочнее, чем крах­мал). Поэтому процесс сушки протекает в два этапа: на пер­вом при постоянной скорости сушки происходит более быстрое удаление влаги, связанной крахмалом, на втором при убываю­щей скорости сушки происходит медленное обезвоживание белков.

Преобладание той или иной формы связи влаги чрезвычайно важно для сушильной техники. От формы связи зависит механизм обезвоживания. Так, осмотически связанная влага проникает внутрь клеток в виде жидкости, в том же агрегатном состоянии она удаляется при сушке; только на поверхности материала она превращается в пар. Иначе ведет себя адсорбционно связанная влага: внутри материала она превращается в пар и в этом виде перемещается.

3) Физико-механическая – свободная влага находится между молекулами вещества и не связана с ними.

В сырых макаронных изделиях наблюдаются главным образом две первые формы связи влаги.

Существуют две причины, по которым влага удаляется из вещества:

1) разница в температуре между высушиваемым материалом и окружающей средой;

2) разница во влажности между внешними и внутренними слоями изделий.

Влага внутри макаронного теста перемещается от более нагретых наружных слоев к менее нагретым внутренним (явле­ние термовлагопроводности). За счет разной влажности этих слоев, возникающей в результате испарения влаги с поверхно­сти материала и быстрого осушивания, происходит перераспре­деление влаги от более влажных внутренних слоев к наружным (явление влагопроводности). Основное движение влаги внутри полуфабриката происходит за счет влагопроводности. Таким образом, влага внутри теста перемещается в противоположных направлениях, что замедляет процесс сушки.

По мере испарения влаги в изделиях происходит их усадка на 6-8%. Наружные слои высыхают быстрее и стремятся уменьшить размеры, а внутренние, в которых влажность какое-то время больше, - сохранить их. В изделиях возникают внут­ренние напряжения сдвига. В начальный период сушки, пока влажность продукта превышает 20%, тесто обладает пластич­ными свойствами, ослабляющими внутренние напряжения сдвига. В результате изделия меняют свою форму, уменьшаясь в размерах, но не разрушаясь. В дальнейшем, по мере сниже­ния влажности с 20 до 16%, изделия постепенно утрачивают свойства пластичного материала и приобретают упругие свойства, т. е. они становятся упругопластичным телом. При этом, если внутренние напряжения сдвига превысят предельно до­пустимые значения, то появляются микротрещины, которые могут привести к лому изделий и крошению. На конечном эта­пе сушки, когда влажность снижается с 16 до 13,5%, изделия ведут себя как упругохрупкие тела, и малейшая усадка ведёт к их растрескиванию.