Среди различных зерновых культур, дающих человеку продукты питания, исключительно большое значение с давних пор принадлежит пшенице. Хлеб из пшеничной муки отличается пористым, упругим и эластичным мякишем и обладает высокой питательностью и приятным вкусом. Во многих странах мира пшеничный хлеб является одним из основных и важнейших продуктов питания населения, в связи с чем вопросы повышения урожайности пшеницы и улучшения ее качества не перестают быть предметом многочисленных научных исследований.
Исключительные пищевые достоинства пшеничного зерна в значительной степени зависят от содержания в нем своеобразного белкового вещества, называемого клейковиной. С тех пор как люди научились приготовлять пшеничный хлеб, известно, что при замесе пшеничной муки с водой образуется упругое, связное и эластичное тесто. Однако только в 1728 г. итальянский ученый Беккари выделил из пшеничного теста путем отмывания водой от крахмала и отрубей связную, эластичную и упругую массу белковой природы, получившую название клейковины. В 1745 г. Беккари опубликовал доклад о своем открытии (цит. по Bailey, 1941), а спустя некоторое время стали появляться и другие работы посвященные клейковине, из которых следует отметить обстоятельные исследования русского академика Моделя, опубликованные им в 1768 г. (цит. по Н. П. Козьминой, 1947). За прошедшие с тех пор почти два столетия изучению клейковины была посвящена обширная литература, что не удивительно, если принять во внимание большое значение клейковины как ценнейшей составной части пшеничного зерна, определяющей в значительной мере его пищевые, технологические и товарные достоинства. В результате этих исследований твердо установлено, что клейковина представляет в основном белковое вещество с некоторым количеством примесей небелкового характера. Белки клейковины обладают высокой способностью поглощать воду и набухать, образуя гидратированный упругий, эластичный и связный студень, который носит название «сырой клейковины» или просто «клейковины» в отличие от «сухой клейковины», получаемой при обезвоживании этого студня чаше всего путем обычного высушивания. Процентное отношение разности весов сырой и сухой клейковины к весу сухой клейковины указывает на количество воды, поглощаемое при набухании 100 граммами сухой клейковины, и обозначается как «гидратация» или «гидратационная способность» клейковины.
В чем же заключается роль и значение клейковины в процессе приготовления хлеба? По современным воззрениям, в эндосперме пшеничного зерна и в полученной из него муке клейковина находится в виде малогидратированных, т. е. практически сухих частиц, расположенных между крахмальными зернами и непосредственно на их поверхности. При замешивании муки с водой в процессе приготовления теста отдельные частицы клейковины, набухая, слипаются друг с другом и образуют непрерывную фазу гидратированного белка, которая наподобие сетки охватывает все крахмальные зерна, в результате чего и образуется компактная, упругая масса связного теста. Углекислый газ, выделяемый дрожжами при брожении теста, разрыхляет эту массу, увеличивая ее объем и придает ей мелкопористую структуру, которая сохраняется благодаря упруго-эластичным свойствам набухшей клейковины, а затем закрепляется при выпечке, образуя характерную пористую структуру хлебного мякиша. Физические свойства теста — его упругость, эластичность, растяжимость, вязкость, определяемые в значительной мере количеством и качеством клейковины пшеничной муки, имеют большое значение в процессе производства хлеба. Широко распространенное понятие «силы» муки Л. Я. Ауэрман (1956) определяет как «способность муки образовывать тесто, обладающее после замеса и в ходе брожения и расстойки определенными физическими свойствами». Сильная мука поглощает при замесе относительно много воды, причем тесто устойчиво сохраняет нормальную консистенцию и эластичность в процессе замеса и брожения, хорошо удерживает углекислый газ и сохраняет форму, в результате чего хлеб имеет большой объем, мало расплывается и хорошо разрыхлен. В противоположность этому слабая мука образует тесто, быстро ухудшающее свои физические свойства в процессе замеса и брожения, что приводит к получению расплывающегося хлеба пониженного объема. Мука средней силы занимает промежуточное положение между сильной и слабой мукой. В более широком смысле говорят не только о силе муки, но и о силе пшениц, характеризуя этим понятием главным образом способность зерна служить «улучшителем» в смеси с зерном, имеющим недостаточные хлебопекарные качества. Пшеницу, которая может быть улучшителем, называют «сильной»; пшеницу, дающую хороший хлеб, но не способную служить улучшителем, называют пшеницей «средней силы» и, наконец, пшеницу с низкими хлебопекарными качествами, требующую добавления улучшителя, считают «слабой». Хотя понятие «силы» представляет суммарную характеристику хлебопекарных свойств зерна или муки, большинство исследователей считает, что «сила» определяется в основном состоянием белкового комплекса пшеницы и, прежде всего, зависит от количества и качества ее клейковины (Ауэрман, 1941, 1956; Kent-Jones, Amos, 1957; Кравцова, 1959; Любарский, 1961).
Рассмотрим вкратце, как влияет каждый из этих факторов на хлебопекарные достоинства пшеницы. Количество клейковины в зерне может колебаться в очень широком диапазоне. По данным М. И. Княгиничева (1958), содержание сырой клейковины в зерне колеблется от 16 до 58%, а сухой — от 5 до 28%. Как указывалось выше, клейковина представляет собой в основном белковое вещество, а потому все те условия, которые влияют на накопление белка в пшеничном зерне, оказывают аналогичное влияние и на содержание в нем клейковины. Если пшеница содержит клейковину нормального качества, то количество ее тесно коррелирует с содержанием общего белка. Н. П. Козьмина и В. Н. Ильина (1952) на основании анализа 16 образцов пшеницы с клейковиной нормального качества выражают соотношение весовых количеств сырой клейковины и общего белка в зерне величиной 2,2. Хотя сомнительно, чтобы этот коэффициент имел универсальное значение для всего многообразия пшениц, все же он указывает на прямую зависимость между содержанием клейковины и белка в пшенице нормального качества. Количество белка и клейковины в пшеничном зерне зависит от многих факторов (см., например, М. И. Княгиничев, 1951, 1955). Сюда относятся, прежде всего, климатические и почвенные условия произрастания пшеницы, как природные, так и регулируемые определенными агротехническими мероприятиями (орошением, внесением удобрений, севооборотом и т. д.). Немаловажное значение имеет сорт пшеницы, хотя сортовые различия часто сглаживаются условиями произрастания и потому не всегда могут быть выявлены с достаточной четкостью. Приведем несколько примеров, иллюстрирующих колебании количества клейковины в пшеницах обычного качества (не дефектных), выращенных в разных условиях. Н. И. Даленко и Е. Д. Казаков (1956) сообщили, что содержание сырой клейковины в зерне семи различных сортов пшеницы на орошаемых и неорошаемых участках Поволжья колебалось от 21,0 до 45,7%, а в муке — от 26,6 до 58,6%. По данным Т. Б. Дарканбаева (1956), содержание сырой клейковины в муке из 14 сортов пшениц Казахстана колебалось от 33,1 до 49,5%, а содержание сухой клейковины — от 10,00 до 16,77%. Н. М. Сисакян и Л. С. Маркосян (1960) сообщили, что мука из четырех сортов пшениц Армении содержала от 28,8 до 43,9% сырой и от 10,05 до 17,68% сухой клейковины.
Обширный материал о содержании сырой клейковины в зерне пшениц CШA, Канады и некоторых других зарубежных стран за 1951—1953 гг. приведен в статье Л. Н. Любарского (1954). Количество сырой клейковины в различных сортах пшеницы колебалось в следующих пределах (в процентах).
Приведенных примеров достаточно, чтобы оценить те значительные колебания, которые наблюдаются в содержании клейковины в пшеничном зерне и муке. Для пшеницы с клейковиной нормального качества существует прямая зависимость между содержанием белка, а, следовательно, и клейковины, в муке и ее потенциальной хлебопекарной способностью, т. е. способностью дать хороший хлеб в наиболее благоприятных для данной муки условиях выпечки (Козьмина, 1959). Это обстоятельство получило свое отражение и в официальных «Правилах организации и ведения технологического процесса на мельницах» (1958), утвержденных Государственным комитетом Совета Министров СССР по хлебопродуктам в 1958 г. Указанные «Правила» устанавливают нижний предел обязательного содержания сырой клейковины в каждом из сортов пшеничной муки, вырабатываемой в Советском Союзе.
Если хлебопекарная способность пшеницы зависит от содержания в ней клейковины, то в еще большей степени она определяется качеством этой клейковины. Под качеством клейковины обычно подразумевают совокупность ее физических свойств: растяжимость, упругость, эластичность, вязкость, связность, а также способность сохранять исходные физические свойства в процессе отмывания и последующей отлежки. Качество клейковины определяется либо органолептически, либо с помощью разнообразных объективных методов. Органолептическое определение качества клейковины, наиболее широко распространенное на практике, является, конечно, условным и субъективным, но вместе с тем оно позволяет дать оценку клейковине по сумме всех ее свойств и в этом заключается его положительная сторона. Определение качества клейковины с помощью приборов: пластометра, консистометра, эластометра, пенетрометра, экстенсографа, глютографа, неолаборографа, а также по удельной растяжимости, по числу набухания, по мутности молочно-кислых дисперсий, по расплываемости шарика и т. д. является более объективным, но, с другой стороны, показание каждого прибора не позволяет судить о всей совокупности свойств клейковины— об ее растяжимости, упругости, вязкости, эластичности, прочности на разрыв и т. д. Поэтому для полной оценки качества клейковины показание каждого прибора приходится дополнять либо показаниями других приборов (что практически трудноосуществимо), либо органолептической характеристикой клейковины. В результате оценки качества клейковину относят к одной из условных групп. Ауэрман (1956) описывает следующие качественные группы клейковины:
- очень слабая,
- слабая,
- средняя по силе,
- сильная,
- очень сильная.
На практике часто употребляются и другие обозначения качества клейковины, например «крепкая», «короткорвущаяся», «крошащаяся», «губчатая» и т. д. Качество клейковины пшеничного зерна и муки зависит от многих условий и является показателем, гораздо более изменчивым, чем количественное содержание клейковины, хотя между обоими этими показателями существует тесная связь. В последующих главах будет подробно рассмотрено влияние различных факторов на качество клейковины и потому здесь достаточно ограничиться лишь несколькими общими замечаниями. При росте пшеницы в поле качество формирующейся в зерне клейковины зависит от сортовых особенностей и условий произрастания. М. И. Княгиничев (1951, 1958), Л. А. Торжинская и А. М. Калюжная (1958), Н. В. Роменский, Г. О. Барер и А. М. Калюжная П958) и другие авторы приводят большой экспериментальный материал, на основании которого можно сделать вывод, что при выращивании в одинаковых условиях сорта пшеницы заметно отличаются по качеству своей клейковины. Однако наибольшее влияние на качество клейковины оказывают все же климатические и почвенные условия произрастания пшеницы (М. И. Княгиничев, 1951, 1958). В зависимости от года урожая и района выращивания, а также применения различной агротехники, удобрений, орошения и т. д. пшеница одного и того же сорта может иметь клейковину резко различного качества. Если же сравнивать клейковину из пшеницы разных сортов, выращенных в разные годы и в различных районах, то наблюдаемые колебания показателей ее качества будут еще больше. Например, в работе Т. Б. Дарканбаева и Г. А. Каптюшиной (1960) показано, что для различных сортов пшеницы, выращенной на опытных станциях Казахстана в 1953—1956 гг., время истечения клейковины на пластометре колебалось от 53 секунд до 10 минут, а растворимость клейковины в молочной кислоте составляла от 14.2 до 43 9% от общего азота сырой клейковины. Очень большие различия в физических свойствах клейковины отмечены также Л. А. Торжинской и А. М. Калюжной (1958) и Н. В. Роменским, Г. О. Барером и А. М. Калюжной (1958) для пшениц Украины, а также Н. М. Сисакяном и Л. С. Макосяком (1960) для пшениц Армении.
Неблагоприятные условия произрастания нередко приводят к получению клейковины, дефектной по качеству. Такова, например, клейковина пшеницы, захваченной при созревании осенними заморозками или поврежденной клопом-черепашкой. После уборки урожая качество клейковины в зерне не остается постоянным, но может весьма значительно изменяться в зависимости от условий хранения и подработки зерна. Даже естественный процесс послеуборочного дозревания сухой пшеницы несколько изменяет качество ее клейковины. Если же зерно хранится при высокой влажности, то развивающийся процесс самосогревания зерновой массы очень резко изменяет качество клейковины. Не менее сильнее влияние оказывает на клейковину и тепловая сушка, неправильные режимы которой могут не только ухудшить физические свойства клейковины, но и полностью разрушить ее. Подготовка зерна к помолу — холодное и горячее кондиционирование, — а также процесс самого размола также оказывают определенное влияние на физические свойства клейковины. Качество ее не остается неизменным и при хранении готовой муки, особенно при неблагоприятных условиях хранения, ведущих к прогорканию и порче муки. Таким образом, начиная от формирования в созревающем на поле зерне и до момента поступления муки на хлебозавод клейковина пшеницы, в зависимости от многих факторов и условий обращения с зерном и мукой, может претерпевать весьма заметные изменения своих физических свойств, совокупность которых и определяет ее качество. Качество же клейковины имеет решающее значение для хлебопекарных достоинств муки, так как физические свойства теста, определяющие силу муки, зависят главным образом от физических свойств клейковины и уже в меньшей степени от ее количественного содержания. Это положение подтверждается всеми исследователями, сопоставлявшими хлебопекарные качества муки с содержанием в ней клейковины и ее физическими свойствами. Обширный материал по этому вопросу представлен, например, в работе Н. С. Суворова (1955), который на 329 образцах товарной муки сравнил результаты хлебопекарных испытаний муки с содержанием в ней сырой клейковины и ее качеством, определяемым по удельной растяжимости и на основании показаний пластометра. Автор пришел к выводу, что решающим фактором является качество клейковины, а не ее количество. Необходимо, однако, подчеркнуть, что при раздельном рассмотрении двух важнейших факторов силы муки — качества и количества клейковины — следует постоянно иметь в виду, что фактически оба эти фактора действуют не только в тесной взаимосвязи, но и в зависимости от других компонентов муки, также оказывающих определенное влияние на ее хлебопекарные достоинства. Тесная связь качества клейковины и ее количественного содержания в пшенице становится особенно ясной, если вспомнить, что содержание сырой клейковины определяют путем ее отмывания, а количество сухой клейковины — высушиванием отмытого студня. Таким образом, всякое изменение качества клейковины, влияющее на гидратационную способность ее белков, немедленно сказывается на выходе сырой и сухой клейковины, даже при полном постоянстве содержания белка, определяемого обычными аналитическими методами. Наиболее ярко это наблюдается в пшенице, поврежденной клопом черепашкой или подвергнутой сильному перегреву в результате неправильной сушки. В обоих случаях при нормальном содержании белка в зерне клейковина может совершенно отсутствовать в результате таких изменений ее физико-химических свойств, которые делают невозможным образование гидратированного студня сырой клейковины.
На основании изложенного очевидно то большое значение, которое принадлежит клейковине как важнейшему фактору хлебопекарных достоинств пшеницы. Естественно, что усилия многих исследователей на протяжении большого периода времени были посвящены изучению клейковины в самых различных направлениях.
Исследовались химический состав и физические свойства клейковины, изменения, происходящие в ней при разнообразных воздействиях, условия ее образования в созревающем зерне и распада при прорастании, возможность и способы улучшения качества нормальной и исправления дефектной клейковины, поведение клейковины при различных режимах хранения и переработки пшеницы, процессы, происходящие с клейковиной при тестоведении и выпечке хлеба, и многие другие вопросы как теоретического, так и прикладного характера.