3.3 Влияние технологических факторов на процесс пенообразования теста, качество изделий и их оптимизация

В процессе замеса (сбивания) бездрожжевого теста из пшеничной муки под давлением можно выделить следующие ключевые моменты:

равномерное распределение ингредиентов;

растворение и гидратация компонентов муки;

коагуляция набухших частиц муки;

образование газовых пузырьков внутри тестовой массы, которые служат основой структуры конечного изделия.

Изменение реологических свойств теста и его структуризация при замесе обусловлены поглощением механической энергии.

Огггимум удельной работы при замесе теста зависит от ряда факторов: вида, сорта и свойств муки, массовой доли влаги, рецептуры, способа приготовления полуфабрикатов и других факторов.

В образовании пшеничного теста ведущая роль принадлежит белковым веществам муки, которые в присутствии воды способны набухать, растворяться (альбуминовая и глобулиновая фракции) и переходить в раствор.

Скорости набухания и растворения высокомолекулярных веществ с увеличением молекулярной массы уменьшаются и зависят от строения цепочек, их длины и химической связи между ними /2/.

На поверхности белковой глобулы находятся различные гидрофильные группы, способные притягивать к себе дипольные молекулы воды. Полярные группы образуют водородные связи с водой, заряженные группы способствуют электрострикционному сжатию воды в гидратной оболочке. Влияние гидрофобных групп на характеристики воды качественно отличается от влияния полярных и заряженных групп. В связи с этим гидратная оболочка белковой глобулы гетерогенна и способствует агрегативной устойчивости белков в растворе /35/.

Согласно теории термодинамики тонких пленок и устойчивости дисперсных систем ДЛФО (Дерягина, Ландау, Фервея, Овербека), агрегативная устойчивость набухших белковых мицелл при замесе теста зависит от составляющих расклинивающего давления в пленках воды, покрывающих белковые глобулы /60/.

П,=к-ехр(-М) (29)

где П5 - структурная составляющая расклинивающего давления; к - константа, равная 1 • 10^ Н/см3; hs - толщина граничного слоя гидратной оболочки, Нм;

1 - константа, равная 0,95±0,20 Нм.

При сбивании тестовой массы под давлением происходит ориентация молекул в пограничных слоях жидкости, повышение вязкости, упругости, что значительно препятствует сближению набухших белковых мицелл.

Сбивание теста под давлением воздуха вызывает окисление сульфгид- рильных групп кислородом с появлением дисульфитных связей, что упрочняет структуру белка, способствует коагуляции белков с образованием однородной пенообразной тестовой массы /75/.

Значительную роль в упрочнении структурного белкового каркаса и агрегировании набухших белковых макромолекул оказывают электростатические и структурные силы, которые проявляются в большей и меньшей степени в зависимости от толщины гидратных оболочек.

При механическом воздействии концентрация воздушных пузырьков в тесте увеличивается, повышается их дисперсность, растет объем пены. Когда в раствор пенообразователя вовлекается много воздуха, образующиеся пузырьки, всплывая, создают на поверхности жидкости пенный слой, толщина которого увеличивается в процессе диспергирования газа. В конечном итоге вся жидкая фаза превращается в пену. По мере того, как жидкость насыщается воздушными пузырьками, толщина перегородок между ними уменьшается, форма пузырьков из сферической постепенно переходит в многогранную. Такие пены отличаются малым содержанием жидкой фазы и характеризуются высокой стабильностью.

Чем больше доля воздушной фазы, выше дисперсность воздушных пузырьков в тесте и его устойчивость, тем выше качество готовых изделий.

Для определения удельной мощности и удельной работы на замес в процессе сбивания теста, влажностью 50-56 % получали семейство кривых

при различной скорости вращения месильного органа 5-15 с"1, давлении подаваемого атмосферного воедуха 0,1-0,4 МПа, продолжительности сбивания 1-5 мин.

На рис. 4 приведены семейства кривых, удельной работы замеса теста и удельной мощности.

На начальной стадии замеса происходит формирование теста из разрозненных компонентов: муки, воды и рецептурных компонентов.

После того, как тесто достигло оптимального замеса, дальнейшее перемешивает делает полуфабрикат влажным и липким. Это объясняется тем, что при продолжительном перемешивании длинные молекулы белка выстраиваются в направлении потока и оказывают меньшее противодействие перемешиванию. гидраты- j ровшше

плато 1 1

I i \

!— спей !

1 1 1 7 i • ! 0,15

I 0,05 2,5 3 3,5

4,5

0 0,5 1 1,5 Продолжительность сбивания, мин Рис. 4 - Зависимость удельной мощности замеса теста различной влажности от продолжительности сбивания: 1- 50 %; 2-52 %; 3-54 %; 4-56 %, при скорости вращения месильного органа 11,7 с'1 и давлении сбивания 0,3 МПа.

4,5 5

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Продолжительность сбивания, мин Рис. 5 - Зависимость удельной работы замеса теста различной влажности от продолжительности сбивания: 1- 50 %; 2-52 %; 3-54 %; 4-56 %, при скорости вращения месильного органа 11,7 с"1 и давлении сбивания 0,3 МПа.

На рис. 6 показано изменение показателя числа циклов деформации теста ц, влажностью 50 %, при давлении сбивания 0,3 МПа, до начала разрушения его

структуры от скорости вращения месильного органа.

Кривая изменения числа циклов деформации от скорости вращения месильных органов характеризует соотношение двух деформаций: пластической и упругой, определяемых в большей степени соотношением свободной и связанной воды. До экстремума превалирует пластическая деформация, затем она уменьшается, что может быть связано с увеличением количества связанной воды и точка перегиба (при скорости вращения месильного органа 13,3 с') характеризует связанной и свободной влаги и, соответственно упругой и пластической со-ставляющей деформации теста. Дальнейшее увеличение интенсивности замеса полуфабриката не способствует более прочному связыванию влаги с веществами муки и образованию прочных связей между белковыми молекулами.

2500 г—

1400

6 7 8 9 10 И 12 13 14 15 Скорость вращения месильного органа, с'1

Рис. 6 Влияние скорости вращения месильного органа на изменение числа циклов деформации до момента готовности теста влажностью 50 %, при давлении сбивания 03 МПа

Тесто, замешанное при большей интенсивности (при скорости вращения месильного органа 13,3 с"1), в момент его готовности более липкое на ощупь, в связи с тем что происходит пересбивание теста, воздушные пузырьки разрушаются, объемная масса увеличивается на 8,4; 4,3; 9,4; 7,5 % для влажности теста 50,52,54,56 % соответственно (рис. 7).

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Скорость вращения месильного органа, с*1

Рис. 7 Зависимость объемной массы от скорости вращения месильного органа, при влажности теста, %: 1-50,2-52,3-54,4-56.

Это происходит в связи с тем, что в момент получения пены количество жидкости в ней обычно превосходит то, которое должно соответствовать гидростатическому равновесию. Поэтому уже при образовании пены из нее выделяется жидкость. Избыточная жидкость из пленок пены вытекает в каналы и по ним стекает из верхних слоев пены в нижние в направлении поля силы тяжести до тех пор, пока градиент капиллярного давления не уравновесит силу тяжести.

но повышается капиллярное и расклинивающее давление, что ускоряет коалес- цендию пузырьков и разрушение столба пены.

Для решения задачи оптимизации параметров замеса было применено позиционное рототабельное планирование, которое предусматривает некоторое количество специальным образом распложенных так называемых «звездных точек», что сокращает число опытов и эксперименте /6,12,57,94/.

Основными факторами, влияющими на показатели качества полуфабриката, были определены: влажность теста Х| (48,0 - 58,0 %), скорость вращения месильного органа Х2 (5,0 - 15,0 с"1) и величина давления подаваемого атмосферного воздуха Хз (0,10 - 0,40 МПа).

Пределы изменения фактора влажности теста Xi (48,0 - 58,0 %), обусловлены тем, что при пониженной влажности (46,0 - 48,0 %) не образуется однородная структура теста, влаги недостаточно для растворения белка и образования пенной консистенции полуфабриката, а при завышенной (более 58,0 %) - происходит быстрое разрушение струюуры, вызванное синерезисом. Верхние и нижние значения факторов скорости вращения месильного органа Х2 (5,0 - 15,0 с'1) и величины давления подаваемого воздуха Хз (0,10 - 0,40 МПа), определены в ходе исследований по предельным значениям скорости и давления для получения сбивного бездрожжевого теста.

Все эти факторы совместимы и некоррелированы между собой. Критериями оценки влияния условий приняли эффективную вязкость (У), Па-с), объемную массу (плотность) (Y* г/см3) теста и удельный объём (Y3, см3/1 г массы) выпеченного изделия. Пределы изменения факторов представлены в таблице 10. Таблица 10 - Пределы изменения факторов Уровни планирования Пределы изменения факторов Х| Х2 хз Основной уровень (0) 53 10,0 0,25 Интервал варьирования 5 5,0 0,15 Верхний уровень (-(-1) 58,0 15,0 0.40 Нижний уровень (-1) 48,0 5,0 0.10 Верхняя звездная точка (+1,68) 53,7 6,7 1,78 Нижняя звездная точка (-1,68) 50,3 3,3 0.58 Для исследования выбрали полный факторный эксперимент типа 23.

Таблица 11 - Матрица планирования и результаты эксперимента Опыт Кодированные значения факторов Натуральные значения факторов Значения измеряемого параметра X, х2 Хз х.,% Х2,С"' хз,М11а УьПа-с Y2, Г/см3 Yj,

см3/! г массы 1 +1 +1 +1 58,0 15,0 0,40 ИЗО 1,042 1,77 2 -1 +1 +1 48,0 15,0 0,40 1170 0,851 2,19 3 +1 -1 +1 58,0 10,0 0,40 750 1,080 1,74 4 -1 -1 +1 48,0 10,0 0,40 1070 0,771 2^6 5 +1 +1 -1 58,0 15,0 0,10 662 0,942 1,82 6 -1 +1 -1 48,0 15,0 0,10 1052 0,810 2Л 7 +1 -1 -1 58,0 10,0 0,10 650 1,037 1,67 8 -1 -1 -1 48,0 10,0 0,10 1300 0,798 2Д1 9 +1,68 0 0 53,7 10,0 0,25 1100 1,140 1,51 10 -1,68 0 0 503 10,0 0,25 1672 0,782 2.31 11 0 +1,68 0 544 6,7 0,25 1000 1,060 2,15 12 0 -1,68 0 54,5 3,3 0,25 900 1,075 2,08 13 0 0 +1,68 544 10,0 1,78 715 0,730 2,00 14 0 0 -1,68 54.5 10,0 048 530 0,675 2,01 15 0 0 0 544 10,0 0,25 1060 0,943 Z28 16 0 0 0 544 10,0 0,25 1073 0,942 2Д8 17 0 0 0 54,5 10,0 0,25 1080 0,940 2,27 18 0 0 0 54,5 10,0 0,25 1093 0,941 2,28 19 0 0 0 544 10,0 0,25 1090 0,940 2,27 20 0 0 0 544 10,0 0,25 1080 0,942 2J7 В результате статистической обработки экспериментальных данных получили уравнения регрессии, адекватно описывающие данный процесс под влиянием исследуемых факторов. Значимость регрессионных коэффициентов и адекватность уравнений подтверждена статистическими критериями Кох- рена, Стьюдента, Фишера.

У, - 1079,6-173,03Х,+30,19-Х2+56Л9Х,+Ю7Л Х,247^7 Х22-163,4 Х,2+67,5ХгХ2+85,0 ХгХ3+89,5 ХГХ, (30) У2-0,941-ЮЛ07Х,-0.004Х3-Ю%01 Ш>^<Х)«6Х1Н(М6Х2Ч0829Х)Ч028-ХгХ2-К),016ХГХЗ^О,0157ХгХ, (31)

Yi-i28-OJ241 Х|-Ю,019Xr0.0024X)«0,134Xi2-0.06X22-0,098X32"K)>Q23 X, X2"K),03 16Х,Х3*0,028 XrX, ( 32)

Анализ коэффициентов при линейных членах уравнений (30,31,32) показал, что на объемную массу теста (Y2, г/см3) наибольшее влияние оказывает скорость вращения месильного органа и величина давления подаваемого ат-мосферного воздуха; эффективная вязкость теста (Yh Па с) и удельный объём выпеченного изделия (Y^, см3/1 г) в большей степени зависит от влажности полуфабриката и скорости вращения месильного органа.

Для построения трехмерного графика значение влажности теста Х| приняли равным 50,0 % т. к. при такой влажности, тесто пенообразной структуры имело постоянные физико-химические характеристики, и выпеченные изделия, на его основе, обладали наилучшими значениями показателей качества.

Графические зависимости полученных характеристик теста от исследуемых факторов представлены на рисунках 8,9,10.

хЗ

х2

Рисунок 8 - Зависимость объемной массы теста от скорости вращения месильного органа и величины давления подаваемого атмосферного воздуха

Рисунок 9 - Зависимость объемной массы теста от скорости вращения сильного органа и величины давления подаваемого атмосферного воздуха

< N «

31 с 2

VD о

О 2

«6 ° а в 2 r: и

?

л

Рисунок 10 - Зависимость удельного объёма бездрожжевого хлеба от влажности полуфабриката и скорости вращения месильного органа

На основании полученных уравнений, была поставлена задача методом перебора на равномерной сетке, рассчитать значения входных параметров, при которых выходные параметры достигают оптимальных величин. В матричной форме задача имеет вид:

D: 1250 > Yt(X) > 480; 500 < Y2(X) < 900; Y3 = Y3(X) - max; X = {XI, X2, X?} (33)

В результате расчетов найдены оптимальные значения параметров: Xi = 50,0-50.5 %, х2 = 13,5 -13.7с"1; х3 = 0,35-0.37 МПа, которые обеспечивают максимальное значение удельного объёма выпеченных изделий и гарантируют получение сбивного бездрожжевого теста с лучшими характеристиками качества.

Правильность выбора оптимального соотношения рецептурных компонентов сбивного мучного полуфабриката подтвердили серией параллельных экспериментов, которая показала сходимость результатов.

Таким образом, было установлено влияние параметров замеса (влажность теста, скорость вращения месильного органа и величина даачения подаваемого атмосферного воздуха) на качественные показатели сбивного бездрожжевого теста. В результате статистической обработки экспериментальных данных получены математические и графические зависимости исследуемых характеристик теста от изучаемых факторов. На основании уравнений определены оптимальные параметры замеса, которые могут быть рекомендованы при производстве сбивного бездрожжевого полуфабриката требуемого качества.