Основным сырьем для выпечки хлеба служат мука, дрожжи, вода и поваренная соль (хлорид натрия). При добавлении воды к муке происходит связывание ее белковыми веществами и крахмалом с образованием белковых и крахмальных коллоидов. В результате образуется упругая масса, называемая тестом. Под влиянием ферментов (амилаза, мальтаза и зимаза) или молочнокислой микрофлоры закваски, применяемой при изготовлении некоторых сортов хлеба, в тесте происходят биохимические процессы, приводящие к образованию спирта, молочной кислоты и углекислого газа, который, накапливаясь, разрыхляет тесто. Таким образом, в основе биохимических процессов на первоначальном этапе приготовления хлеба лежит спиртовое и молочнокислое брожение. Брожение теста происходит особенно интенсивно при повышении температуры до 40-50 °С. Выделяемый дрожжами фермент амилаза в процессе брожения расщепляет крахмал до мальтозы, а она ферментом мальтозой переводится в глюкозу. Расщепление глюкозы до спирта и углекислого газа завершается дрожжевой зимазой. При молочнокислом брожении глюкоза переводится в молочную кислоту с образованием углекислого газа. Спиртовое и молочнокислое брожение сопровождается образованием ряда промежуточных продуктов: пировиноградной кислоты, ацетальдегида, глицерина, создающих в комплексе с другими изменениями в тесте характерный аромат и вкус хлеба.
Наряду с расщеплением углеводов в тесте происходит частичное расщепление белков. Белки расщепляются протеолитическими ферментами до пептонов, пептидов и небольшого количества аминокислот. Некоторые из них вступают в дальнейшие реакций с образованием ряда соединений, влияющих на органолептику хлеба. Так, тирозин превращается в меланин – пигмент темного цвета. Вследствие высокого содержания тирозина в, ржаной муке и его окисления при брожении теста ржаной хлеб окрашивается в темный цвет. Увеличение объема и разрыхление теста при брожении, повышающее пористость хлеба при последующей выпечке, имеют большое значение в хлебопечении, так как улучшают качество хлеба. Это может быть достигнуто применением специальных разрыхлителей: бикарбоната натрия, бикарбоната аммония, винной кислоты, ферментных препаратов, получаемых из грибов Aspergillus amawori и Aspergillus oryzae. Применение ферментных препаратов, обладающих амилолитическими свойствами, значительно сокращает процессы брожения и созревания теста и улучшает качество выпекаемых продуктов.
При выпечке хлеба происходят следующие изменения. При нагреве до 50 градусов амилолитические и протеолитические ферменты активизируются, биохимические процессы в результате этого нарастают и происходит дополнительное разрыхление теста. При более высоком нагреве происходит постепенное отмирание микробов, вызывающих брожение, при температуре 80 °С дрожжи и молочнокислые бактерии погибают. В результате свертывания ферментов биохимические процессы в хлебе при этой и близкой к ней температуре прекращаются. Наступает стабилизация формы хлеба, обусловленная коагуляцией белковой пленки, образующей поры мякиша, В интервале 60-80 °С происходит также клейстеризация крахмала. При 100 градусах образуется водяной пар. Температура в хлебопекарной печи достигает обычно 200-300 °С. В пределах 100-200°С происходят интенсивное испарение влаги и образование корки хлеба. Цвет ее вначале светлый, затем: становится темным, что обусловлено превращением крахмала при 100-120 °С в светлые и желтые декстрины, а затем в темные. В этот же период (при высокой температуре) образуются ароматические соединения, придающие корке хлеба приятные органолептические свойства. Температура внутри мякиша, несмотря на высокую температуру печи, редко превышает 95-98 °С, что обусловлено плохой теплопроводностью его пористой массы.