• Aplikovaný výzkum

Moderní cereální technologie prochází obdobím dynamického rozvoje. Základními výzvami jsou zaprvé optimalizace nutriční hodnoty potravin cereálního původu, o které jsme referovali v několika předchozích článcích, zadruhé minimalizace dopadů výroby chleba a pečiva do životního prostředí. Na první pohled se zdá, že jak mlýnská, tak pekárenská technologie jsou ekologicky relativně velmi „čisté“, což je pravda z hlediska přímých dopadů. Zásadní nepřímý dopad však představuje jejich energetická náročnost. Ta vedle ekologických aspektů představuje také významnou část výrobních nákladů a promítá se do rentability a ceny finálních výrobků. Jedním z klíčových faktorů ovlivňujících spotřebu energie jsou tepelné procesy, z nichž nejvýznamnější je proces pečení chleba a pečiva.

Pečení je vedle tvorby těsta a fermentace jednou ze tří základních operací při výrobě chleba a pečiva. Je operací finalizační, která dotváří výrobek do jeho konečné podoby, stabilizuje jeho strukturu a vlastnosti. Součástí pečného procesu, na což se občas zapomíná, je také vypékání, tj. vyjmutí upečeného chleba nebo pečiva z pečného prostoru a jeho následné chladnutí. Čím větší (hmotnější) je těstový kus a potažmo výrobek, tím je celý proces náročnější. Věnujme se proto pečení chleba, jako svým způsobem královské disciplíně.

Vyhnětený, vyzrálý, vytvarovaný a nakynutý těstový kus vstupuje do pečného prostoru. V první krátké fázi probíhá zapáření, kdy se vodní pára v horkém prostoru setká s chladným povrchem těstového kusu a kondenzuje na něm. Vlivem stoupající teploty škrob na povrchu těsta mazovatí a vytváří tenkou pružnou vrstvu, která odolá expanzi a nepraskne. První fází vlastního pečení je zapékání. Teplota v peci se pohybuje zpravidla mezi 250–300 °C. Povrch těstového kusu se zahřívá na teplotu vysoce překračující 100 °C, začínají probíhat procesy, které formují kůrku a její senzorické vlastnosti. Těsto jako velmi špatný vodič tepla se rychle prohřívá pouze těsně (několik mm) pod tvořící se kůrkou, vedení tepla dovnitř těstového kusu je pomalé a závislost teploty na vzdálenosti od povrchu je nelineární.

Stoupající teplota vnitřních struktur vede v první fázi ke zrychlení enzymové hydrolýzy škrobu a generaci zkvasitelného cukru (maltosy), zvyšuje se intenzita fermentačních procesů, jak etanolového, tak mléčného kvašení (v případě použití vitálního kvasu). Biochemické procesy se zastavují teprve po delší době pečení, kdy teplota uvnitř přesáhne 50–70 °C. Se stoupající teplotou dochází také k prudké expanzi kvasného plynu (oxidu uhličitého) a k rychlému nárůstu objemu. Vysoká teplota povrchu působí posléze fixaci kůrky a tím i tvaru a objemu chleba. V kůrce intenzivně probíhají reakce neenzymového hnědnutí, Maillardova reakce a karamelizace. Tvoří se tak barva a současně chuť i vůně kůrky. Zároveň ale vznikají procesní kontaminanty (akrylamid, deriváty furanu). Jak z důvodu tvorby těchto látek, tak i nežádoucích senzorických změn (hořknutí a přílišného tmavnutí) je třeba fázi zapékání opustit a teplotu pečného prostoru výrazně snížit. Teplota klesá lehce nad 200 °C a nastává fáze propékání.

Ve fázi propékání se zpomalují uvedené reakce v kůrce a jde o to, aby teplota uvnitř těstového kusu stoupala a docházelo k fixaci tvořící se střídy chleba. Základními procesy jsou bobtnání a částečné mazovatění škrobu a koagulace proteinů lepku a ostatních proteinů včetně glykoproteinů přítomných v žitné mouce. I střída mírně tmavne a probíhají zde reakce vedoucí k tvorbě senzoricky významných látek, jako jsou aldehydy, ketony, estery organických kyselin a řada dalších látek. Zásadním úkolem je dostatečné prohřátí střídy v celém objemu a zejména v jejím středu. To vyžaduje díky zmíněné nízké tepelné vodivosti značný čas. Teplota v centru dopečeného bochníku by se měla pohybovat nad 95 °C. Poslední fází pečení je proto dopékání, kdy teplota pečného prostoru klesá pod 200 °C. Celková doba pečení se pohybuje podle hmotnosti chleba v rozmezí zpravidla 40–60 minut, u velkých a hmotných pecnů i déle. Doba pečení je také přímo úměrná podílu žitné mouky.

Průběh pečného procesu je možné znázornit typickou pečnou křivkou. Její optimální parametry mají zásadní vliv na výslednou jakost chleba. Na jedné straně na požadovanou senzorickou charakteristiku kůrky (barvu, vůni, chuť, tloušťku a křehkost), na její chemické složení a obsah procesních kontaminantů a na druhé straně na dostatečné propečení střídy. Čím hmotnější je chléb, tím složitější je uvést tyto parametry do souladu.

Průběh teploty v pečeném chlebu je možno znázornit následujícím grafem (obr. 2), ze kterého je patrný nelineární teplotní gradient od povrchu kůrky po jádro tvořící se střídy.

Dosavadní popis včetně schémat je zcela obecný. Pro každý druh chleba, tvar, objem, recepturu, a pro každý konkrétní typ pece je třeba stanovit vlastní průběh pečného procesu, což není vůbec jednoduché. Velkou roli hraje empirie, zkušenost, kritériem nastavení parametrů celého procesu je výsledek – jakost hotového chleba.

Vlastní pečení sice končí dopečením, ale teprve po vypékání (vyjmutí chleba z pečného prostoru) a následném chladnutí se plně dotvářejí jeho vlastnosti. Průběh chladnutí má velký vliv na jakost chleba. Zásadně by nemělo docházet k výkyvům teploty prostředí, ve kterém chléb chladne.

Z energetického hlediska proces pečení představuje vložení značného kvanta energie ve formě tepla do výše popsaných procesů. Podle typu a kvality pece dochází vždy k větším či menším tepelným ztrátám. Hlavními faktory ovlivňujícími tepelné ztráty mohou být účinnost topných elementů, únik horkého vzduchu do okolí či nedostatečná tepelná izolace pece a přidružených armatur. Po vypečení, během chladnutí se část tepla uvolňuje do prostředí. To, kolik tepla se spotřebuje užitečně pro upečení chleba, závisí na tom, nakolik optimálně je nastaven průběh pečení – pečná křivka. Meze jsou dány dosažením teploty nad 95 °C v jádru střídy a fyzikálně-chemickými a senzorickými vlastnostmi kůrky. Mezi těmito limitujícími hranicemi je ale prostor pro optimalizaci. Není velký, na celkovou energetickou bilanci procesu má často menší vliv než tepelné ztráty, nicméně je, a je jedním z nástrojů, kterým je možné celkovou spotřebu energie korigovat.

Na Ústavu sacharidů a cereálií VŠCHT Praha ve spolupráci s dalšími výzkumnými pracovišti, pekárnou, výrobcem pecí a také se společností Siemens, s.r.o. připravujeme projekty, které by měly pomoci pekařům s optimalizacemi pečných křivek i celkové spotřeby energie. Základem je co nejdetailnější popis vlastního procesu na několika konkrétních příkladech (reálná pec, reálná receptura a požadavek na jakost chleba). Předpokládáme, že dostatečné množství naměřených dat, jako jsou průběhy teplot v prostoru pece, na povrchu a uvnitř pečeného těstového kusu, změna hmotnosti a objemu, vývoj barvy kůrky a poréznosti střídy nám umožní odhadnout parametry matematického modelu popisující soubor fyzikálně-chemických jevů probíhajících během pečení. Tento složitý matematický model by poté mohl za použití teorie podobnosti vyústit v soubor relativně jednoduchých kriteriálních rovnic, které by mohly snížit míru empirie a připravit exaktní nástroj pro optimalizaci pečných křivek.

Ve spolupráci s ústavy chemického inženýrství a matematiky, informatiky a kybernetiky a se společností Siemens pracujeme na nadstavbě, která by dokázala teoretický matematický model spolehlivě numericky řešit a následně na základě získaných dat i vhodně kalibrovat. Výsledkem by měl být softwarový nástroj, který bude umožňovat počítačovou simulaci procesu pečení a dá vzniknout tzv. digitálnímu dvojčeti reálného pečného procesu. Jedná se o cestu velmi složitou. Chléb, jakkoli je jeho receptura jednoduchá v porovnání s běžným a zejména jemným pečivem, ve skutečnosti představuje velmi komplexní fyzikálně-chemický a biochemický systém.

Samotné těsto je komplexem, který má částečně formu hrubé disperze (suspenze), částečně koloidní disperze, díky fermentačnímu procesu také částečně formu pěny a po zmazovatění části škrobových zrn také formu gelu. V průběhu pečení se odehrává řada fyzikálně-chemických a biochemických dějů, které mění makro- i mikrostrukturu a částečně i chemické složení. Každá složka má přitom určité tepelné vlastnosti, kterými přispívá k termodynamickým vlastnostem celého systému.

Zkušenému pekaři musí být zřejmé, že podobně ambiciózní projekt s sebou nese určitá rizika, a je možné, že výsledné digitální dvojče a simulační model pečení bude příliš sensitivní na těžko měřitelné a neuniverzální parametry specifické pro danou pec, výrobek, či dokonce šarži. Smysluplné využití výsledného softwarového nástroje poté může být omezeno na velmi specifické případy. V každém případě ale projekt prohloubí naše chápaní fyzikálně-chemických procesů během pečení chleba. Zaprvé, díky získání unikátního souboru dat za použití pokročilých měřících přístrojů, vyvinutých výhradně pro potřeby projektu, a zadruhé, díky detailní numerické analýze mechanistických modelů.

Pečení chleba je královská disciplína, jak jsme uvedli na začátku, protože je nejen krásná a představuje odnepaměti tvůrčí spojení lidské práce s přírodním živlem, ale je také velmi obtížná. Optimalizace, na kterou projekt cílí, je vlastně hledání rovnováhy mezi jakostí výsledného chleba a minimálním množstvím vynaložené energie na jeho upečení.

Poděkování

Práce vznikla za podpory projektu NAZV, QL24010110, Úspora spotřeby energie při pečení chleba pomocí optimalizace teplotního režimu s využitím numerických modelů, korelací a umělé inteligence.

Ing. Tomáš Svoboda, Ing. Pavel Skřivan, CSc., doc. Ing. Marcela Sluková, Ph.D., Ing. Ivan Švec, Ph.D., prof. Dr. Ing. Tomáš Moucha, Ing. Martin Isoz, Ph.D., Ing. Beverly Hradecká, Ph.D., Ladislav Jirčík, Ing. Magdaléna Hrubá

(1) Ústav sacharidů a cereálií, VŠCHT Praha, (2) Ústav chemického inženýrství, VŠCHT Praha, (3) Ústav matematiky, informatiky a kybernetiky, VŠCHT Praha, (4) Ústav analýzy potravin a výživy, VŠCHT Praha, (5) Beas, a.s. Choustníkovo Hradiště, (6) Centrum zemědělsko-potravinářského výzkumu a inovací, s.r.o.