CC BY
163
УДК: 62-52:664.665.002.5 (043.3)
Краснова М.С., Сидоренко Г.А., Попов В.П., Зинюхина А.Г., Зинюхин Г.Б.
Оренбургский государственный университет
ЭЛЕКТРОКОНТАКТНАЯ ВЫПЕЧКА ХЛЕБА КАК ОБЪЕКТ АВТОМАТИЗАЦИИ
Исследованы теоретические и практические аспекты процесса электроконтактной (ЭК) выпечки хлеба. Приведены результаты исследования кинетики процесса ЭК-выпечки хлеба, в частности изменение силы тока, температуры, пористости, объемного и весового выходов, химического состава (содержания белков, углеводов), интенсивности образования углекислого газа, а также давления в пекарной камере от продолжительности выпечки. Разработана параметрическая схема процесса ЭК-выпечки хлеба, необходимая для создания системы автоматизированного управления данным процессом. Определен диапазон оптимальных значений управляющих параметров, позволяющих получить высококачественный продукт.
Ключевые слова: электроконтактная выпечка хлеба, параметрическая схема, управляющие параметры, управляемые параметры, кинетика процесса выпечки.
В настоящее время известны способы выпечки, различающиеся характером теплового воздействия на тестовую заготовку и видами получаемых при этом изделий.
Одним из наиболее интенсивных способов прогрева тестовой заготовки является электроконтактная (ЭК) выпечка, которая позволяет минимизировать потерю полезных свойств используемого сырья и получить бескорковый хлеб повышенной пищевой ценности.
Для обеспечения спроса потребителей бес-корковый хлеб ЭК-выпечки, наряду со своими функциональными свойствами, должен обладать хорошими показателями качества. Выпечка является заключительной стадией приготовления хлеба, окончательно формирующей его качество. В связи с этим актуальным является создание автоматизированной системы управления, которая позволит поддерживать оптимальный режим ЭК-выпечки и обеспечит получение готового продукта высокого качества. Решение данной проблемы для ЭК-выпечки осложняется высокой интенсивностью данного процесса и недостаточной изученностью ее кинетики.
Для создания системы управления, обеспечивающей получение высококачественного готового продукта, необходимо исследовать теоретические и практические аспекты процесса ЭК-выпечки, выявить возмущающие, наблюдаемые, измеряемые, управляющие и управляемые параметры.
Качество готового хлеба и процесс его выпечки в значительной степени зависят от свойств теста. В связи с этим была проведена серия предварительных экспериментов, позволившая оп-
ределить оптимальные параметры приготовления теста, обеспечивающие получение бескорко-вого хлеба ЭК-выпечки хорошего качества.
Наилучшие показатели качества хлеба ЭК-выпечки достигались при внесении в тесто соли в количестве 0,65%, сухих дрожжей - 2,0%, массовой доле влаги - 50-56% при безопарном способе тестоприготовления и продолжительности его созревания 185-200 мин., дозировке муки на одну тестовую заготовку - 250 г при площади электродов 1,5»104 мм2, расстоянии между ними 100 мм и подводимом напряжении 220 В.
В процессе ЭК-выпечки в исходном сырье (в частности в тесте) с различной рецептурой и, как следствие, реологическими характеристиками должны происходить целенаправленные коллоидные, биохимические, микробиологические и физико-химические процессы с целью его преобразования в готовый продукт с заданными показателями качества. Основным, определяющим все остальные процессы, является прогрев тестовой заготовки.
Следует отметить, что по изменению химического состава теста-хлеба можно судить об интенсивности биохимических процессов при ЭК-выпечке. Коллоидные процессы, обеспечивающие образование структуры выпекаемого изделия, в значительной степени обуславливают его пористость и объемный выход. Изменение интенсивности образования углекислого газа может характеризовать микробиологические процессы, протекающие в процессе ЭК-выпечки. Изучение изменения температуры, весового выхода выпекаемого изделия, давления в пекарной камере и силы тока позволяет оценить интен-
сивность прогрева, процессов испарения воды, спирта и других летучих веществ. Разрежение пекарной камеры задается исследователями (в данной работе использовалось разряжение 40 кПа), по сути, является управляющим параметром. Однако при выделении углекислого газа и паров воды в процессе выпечки разрежение изменяется и по его приращению можно судить об интенсивности паро- и газоотделения.
Для установления механизма ЭК-выпечки хлеба нами была изучена ее кинетика, в частности изменение силы тока, температуры, пористости, объемного и весового выходов, химического состава (содержания белков, углеводов), интенсивности образования углекислого газа, а также давления в пекарной камере в зависимости от продолжительности выпечки.
Кривые зависимости силы тока, температуры, объемного и весового выхода, пористости, влажности хлеба и разряжения пекарной камеры от продолжительности ЭК-выпечки представлены на рисунке 1.
Анализ полученных зависимостей показал, что при ЭК-прогреве тестовой заготовки в первые 50-60 с. наблюдается увеличение объем-
ного выхода и пористости, связанное с повышением ее температуры до 45-50 0С и происходящим при этом тепловым расширением пузырьков воздуха и углекислого газа, растягивающим клейковинный каркас теста-хлеба. Повышению силы тока в этот период способствует увеличение степени диссоциации солей и кислот, переход в жидкую фазу водорастворимых веществ.
В дальнейшем в период ЭК-выпечки от 60 до 90 с. сила тока снижается, объемный выход и пористость увеличиваются, что обусловлено повышением температуры тестовой заготовки до 60-70 0С и происходящими при этом активными процессами набухания белковых и углеводных компонентов теста, приводящими к снижению свободы перемещения ионов.
По мере протекания процесса ЭК-выпечки от 90 до 120 с. наблюдается период стабилизации силы тока и менее интенсивного увеличения объемного выхода и пористости, что связано с достижением температуры тестовой заготовки 80-85 0С и протекающими при этом процессом клейстеризации крахмала и снижением способности белков к набуханию.
120
100
40
і-д-д-д-д-п-п-гтгт-п-тнт^
ж-ж-Ц-ііе А Ж А А^цЦ^ ^ ^ Т т г г г ^
—I—
50
—I—
100
—I—
150
—I—
200
—I—
250
—I—
300
—I
350
Продолжительность выпечки, с
Выход хлеба,*10, %
Пористость,%
Сила тока,*0,1, А Разрежение, кПа
Рисунок 1. Кинетика процесса ЭК-выпечки хлеба
Объемныи выход хлеба, *10, % Влажность хлеба, % Температура теста-хлаба, °С
При дальнейшей ЭК-выпечке в период от 120 до 160 с и повышении температуры теста-хлеба до 92-95 0С наблюдается повторное повышение силы тока, вероятно, обусловленное денатурацией белков и освобождением ими влаги, поглощенной при набухании. Увеличению объемного выхода и пористости в этот период способствует термическое расширение паров спирта и воды. Однако объем хлеба увеличивается уже менее интенсивно, так как слои мякиша, образовавшиеся в результате клейстериза-ции крахмала и денатурации белков, в значительно меньшей степени, чем тесто, способны к изменению объема.
В процессе дальнейшего допекания хлеба от 160 с. и до конца выпечки наблюдается снижение силы тока и повышение температуры до 98-100 0С, испарение воды достигает своего максимума, однако объемный выход и пористость увеличиваются уже незначительно, а в конце выпечки даже несколько снижаются из-за удаления летучих веществ из межпористого пространства хлеба. Упрочнение структуры теста-хлеба и испарение из него воды приводят к снижению силы тока. Об окончании процесса ЭК-выпечки можно судить по снижению силы тока до 0-0,5 А и достижению температуры теста-хлеба значения 98-100 0С.
По кривой изменения степени разрежения пекарной камеры можно судить об интенсивности газоотдачи в процессе ЭК-выпечки хлеба. В процессе ЭК-выпечки интенсивность газоот-дачи увеличивается, достигая наибольшего значения в момент максимальной интенсивности испарения паров воды.
Со снижением массовой доли влаги в тестовой заготовке в процессе ЭК-выпечки, весовой выход уменьшается.
Были проведены исследования по изучению зависимости интенсивности образования углекислого газа от продолжительности ЭК-выпечки. Исследования проводились с использованием модернизированного прибора Яго-Островского. Модернизация заключается в том, что в приборе между сосудом для образования углекислого газа (в данном случае ЭК-выпечки) и сосудами для измерения объема выделенного углекислого газа установлены U-образные трубки с силикагелем для улавливания паров воды.
В процессе ЭК-выпечки интенсивность образования углекислого газа снижается. Макси-
мальная интенсивность образования диоксида углерода наблюдается в первые 1,5-2,5 мин. ЭК-выпечки. Это связано с активизацией жизнедеятельности дрожжей и молочнокислых бактерий. Дальнейший прогрев тестовой заготовки приводит к снижению биологической активности микроорганизмов. Следовательно, снижается интенсивность образования углекислого газа, являющегося одним из основных продуктов их жизнедеятельности. Через 3-3,5 мин. ЭК-выпечки интенсивность образования диоксида углерода снижается, достигая своего минимального значения к концу процесса выпечки.
Исследована кинетика изменения химического состава теста-хлеба в процессе ЭК-выпечки. Результаты исследования представлены в таблице 1.
Анализ полученных данных показывает, что в процессе ЭК-выпечки содержание крахмала и белков несколько снижается. Это может быть вызвано гидролитическим и ферментативным расщеплением крахмала и белков. Содержание декстринов, как одного из продуктов расщепления крахмала, в процессе ЭК-выпечки увеличивается. Содержание сахаров в процессе ЭК-выпечки теста-хлеба снижается. Высокая интенсивность процесса ЭК-выпечки приводит к тому, что ферментативные и микробиологические процессы развиваются в гораздо меньшей степени, чем при традиционной выпечке. Этим и объясняются меньшие изменения в содержании основных компонентов теста в процессе ЭК-выпечки по сравнению с традиционной радиационно-конвективной выпечкой.
Для разработки оптимальной технологии производства хлеба ЭК-способом была проведена серия предварительных экспериментов, показавших, что наибольшее влияние на процесс ЭК-выпечки и показатели качества гото-
Таблица 1. Изменение химических показателей теста-хлеба в процессе ЭК-выпечки (n=6, Р=0,95)
Компоненты теста-хлеба Продолжительность выпечки, мин.
0 1,5 3 5
Белок, % на с. в. 14,61 14,29 13,90 13,65
Крахмал, % на с. в. 71,81 68,93 67,08 65,36
Декстрины, % на с. в. 0,82 0,92 1,28 1,3
Сахара, % на с. в. общие 5,22 5,02 4,81 4,81
редуцирующ. 5,04 4,87 4,78 4,70
вых изделий оказывают: массовая доля влаги в тесте, степень разрежения пекарной камеры и объемное напряжение.
Изучение кинетики ЭК-выпечки и результаты предварительных экспериментов позволили разработать параметрическую схему процесса ЭК-выпечки, представленную на рисунке 2.
В качестве возмущающих параметров в схеме использованы технологические отклонения (температуры и продолжительности расстой-ки, массовой доли рецептурных компонентов и т. п.), качество сырья и теста. В качестве наблюдаемых параметров использовались реологические характеристики, в качестве измеряемых -сила тока и температура теста-хлеба. В качестве управляемых параметров использовались экспертная оценка, пористость, кислотность, влажность, объемный и весовой выход хлеба, энергоемкость процесса.
В виду большого количества управляемых параметров была разработана комплексная характеристика качества хлеба, включающая все единичные показатели с соответствующими коэффициентами значимости. Пятибалльная шкала, использованная на первом этапе исследований, в ходе экспериментов была уточнена и трансформирована в десятибалльную шкалу перевода отдельных показателей в баллы комплексной характеристики качества хлеба. Комплексный показатель качества включает сумму баллов отдельных показателей качества, умноженных на соответствующий коэффициент значимости: объем-
ный выход на коэффициент 0,3; весовой выход -0,1; пористость - 0,3; экспертная оценка - 0,2; кислотность - 0,02. Следует отметить, что для установления коэффициентов значимости отдельных показателей, входящих в состав комплексного показателя качества и для экспертной оценки готовых изделий была сформирована группа экспертов, являющихся специалистами в области хлебопечения и знающих особенности приготовления бескоркового хлеба ЭК-способом. Экспертная оценка проводилась методом ранжирования, а для определения суммарной характеристики каждый единичный показатель умножался на соответствующий коэффициент: вкус - 5; консистенция -2; запах - 1,5; внешний вид - 1,5.
В качестве управляющих параметров процесса ЭК-выпечки использовались объемное напряжение, давление в пекарной камере, продолжительность выпечки и технологические отклонения. Объемное напряжение с одной стороны связывает массу выпекаемой тестовой заготовки, расстояние между электродами и т. д. и подводимое напряжение с другой стороны. Изменение данного параметра можно характеризовать как:
- отношение напряжения к расстоянию между электродами;
- отношение напряжения к объему хлеба;
- отношение напряжения к массе тестовой заготовки;
- отношение напряжения к массе муки на одну тестовую заготовку.
р
т
а
р
а
п
е
Я
щ
ю
я
л
в
а
р
п
Технологические
параметры
Давление в пекарной камере
Объемное
напряжение
Продолжительность
- отношение напряжения к расстоянию между электродами
- отношение напряжения к массе тестовой заготовки
- отношение напряжения к массе муки на одну тестовую заготовку
- отношение напряжения к объему хлеба
выпечки
Возмущающие параметры
Сырье и качество теста
Технологические
отклонения
Процесс выпечки хлеба с помощью ЭК-энергоподвода
Сила
тока
Температура
теста-хлеба
Реологические
характеристики
Измеряемые
параметры
Наблюдаемые
параметры
Весовой
выход
Объемный
выход
Экспертная
оценка
Пористость
Кислотность
Влажность
Энергоемкость
ы
р
т
е
м
а
р
а
п
о
3
м
е
я
л
в
а
р
п
Рисунок 2. Параметрическая схема процесса ЭК-выпечки хлеба
Учитывая результаты проведенных ранее экспериментов, были построены зависимости комплексного показателя качества от данных факторов. В интервале изменения комплексного показателя качества от 7 до 9 баллов были определены коэффициенты корреляции. Установлено, что наиболее тесная связь наблюдается между комплексным показателем качества и параметром, характеризующим отношение напряжения к расстоянию между электродами.
На основе параметрической схемы был составлен и реализован план трехфакторного эксперимента по установлению влияния объемного напряжения (отношение напряжения к расстоянию между электродами), массовой доли влаги в тесте и степени разрежения пекарной камеры на комплексный показатель качества, органолептические свойства - экспертную оценку и объемный выход хлеба. При этом массовая доля влаги в тесте варьировала в пределах от 48 до 56%, объемное напряжение в пределах от 0,89 до 5,07 В/мм и степень разрежения пекар-
ной камеры в пределах от 0 до 40 кПа. По экспериментальным данным построены плоскости равного выхода, из которых следует, что оптимальным является отношение напряжения к расстоянию между электродами 4,86-5,07 В/мм, степень разрежения 32-40 кПа, массовая доля влаги в тесте 54-56%, при этом объемный выход бескорового хлеба ЭК-выпечки составляет не менее 530%, экспертная оценка - не менее 0,32, комплексный показатель качества (по 10 балльной системе) - не менее 8,5 баллов.
Таким образом, теоретические и практические представления о процессе ЭК-выпечки и результаты исследования ее кинетики позволили разработать параметрическую схему процесса ЭК-выпечки, необходимую для создания системы автоматизированного управления данным процессом. Проведенный на основе этой схемы трехфакторный эксперимент позволил определить диапазон оптимальных значений управляющих параметров, способствующих получению высококачественного продукта.
28.11.2012
Список литературы:
1. Грачев, Ю. П. Математические методы планирования эксперимента / Ю. П. Грачев, Ю. Н. Плаксин. - М. : ДеЛи принт, 2005.
2. Евсюков, В. Н. Системы управления технологическими процессами пищевых производств : учебное пособие / В. Н. Евсю-ков. - Оренбург : ОГУ, 2010. - 177 с.
3. Пат. 2175839 Российская Федерация, МКИ6 А21Д6/00,8/06. Способ выпечки хлеба / В. П. Попов, В. Л. Касперович, Г. А. Сидоренко, Г. Б. Зинюхин ; заявитель и патентообладатель Оренбургский гос. университет ; заявл. 07.10.99 ; опубл. 20.11.01, Бюл. № 32. - 4 с.
4. Пат. 2182768 Российская Федерация, МПК А21В1/00,1/22. Устройство для выпечки хлеба / Г. А. Сидоренко, В. П. Попов, В. Л. Касперович, Г. Б. Зинюхин, П. В. Медведев ; заявитель и патентообладатель Оренбургский гос. университет ; заявл. 12.09.96 ; опубл. 27.05.02, Бюл. № 15. - 2 с.
5. Сидоренко, Г. А. Исследование особенностей выпечки бескоркового хлеба на основе системного подхода / Г. А. Сидоренко, В. П. Попов, В. Л. Касперович // Вестник ОГУ. - 1999. - № 1. - С. 81-86.
Сведения об авторах:
Краснова Мария Сергеевна, ведущий инженер кафедры пищевой биотехнологии Оренбургского государственного университета, е-таіі: Krasnova_MS@mail.ru Зинюхина Анна Георгиевна, аспирант кафедры пищевой биотехнологии Оренбургского государственного университета 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, ауд. 3215, тел. (3532) 372465 Сидоренко Галина Анатольевна, доцент кафедры технологии пищевых производств Оренбургского государственного университета, кандидат технических наук 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, ауд. 3106, тел. (3532) 372467 Попов Валерий Павлович, заведующий кафедрой пищевой биотехнологии Оренбургского государственного университета, кандидат технических наук, доцент 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, ауд. 3104А, тел. (3532) 372465, е-таіі: ppbt@mail.osu.ru Зинюхин Георгий Борисович, доцент кафедры пищевой биотехнологии Оренбургского государственного университета, кандидат технических наук 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, ауд. 2335, тел. (3532) 372778
