CC BY
2805.18.01 - Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства (технические науки) DOI: 10.257127ASTU.2072-8921.2020.04.006 УДК 664.61
ХЛЕБОПЕКАРНАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ВЫПЕЧКИ ХЛЕБА ВНЕ СТАЦИОНАРНЫХ УСЛОВИЙ
А. А. Лобов
Выпечка хлеба является заключительным этапом тепловой обработки и наиболее значимым по расходу энергоресурсов процессом. В целях интенсификации тепловой обработки теста-хлеб, сокращения энергозатрат, канцерогенных веществ (меланоидинообразования) на корочке свежеиспеченного хлеба, снижения продолжительности нагрева пекарной камеры и температуры парогазовой среды предложена хлебопекарная печь ХПЭ-ИК-0,5 (инфракрасного излучения, производительностью 500 кг/сут). Принцип работы ХПЭ-ИК-0,5 основан на использовании физических принципов термодинамики, а конструкция печи позволяет интенсифицировать процесс выпечки хлеба за счет теплового воздействия на тестозаготовку коротковолнового инфракрасного излучения, преобразованного через каменный под. Сущность технического решения заключается в использовании принципа воздействия инфракрасного излучения при принудительной конвекции на молекулярную структуру сбивного бездрожжевого теста в процессе тепловой обработки. Тепловая обработка тестозаготов-ки из бездрожжевого сбивного теста осуществляется в поле инфракрасного излучения длиной волны А = 4-9 мкм с селективной трансформацией в комплексе с принудительной конвекцией S = 0,5-0,7 м/с. Конструкция печи (рисунок 1) содержит нагреватели ИК-излучения (диапазон электромагнитных волн коротковолновый от А = 4-9 мкм, безвреден для человека), размещённые в стенке корпуса (в вертикальной плоскости), а также автоматизированную систему управления процессом. Новизна технического решения обусловлена применением синергии эффектов инфракрасного излучения длиной волны А = 4-9 мкм с селективной трансформацией в комплексе с принудительной конвекцией S = 0,5-0,7 м/с. Практическая значимость технического решения заключается в значительном сокращении (в 1,251,3 раза) продолжительности выпечки и в возможности осуществлять ее в ограниченном пространстве. Предложенное техническое решение в отличие от существующего образца обеспечивает сокращение продолжительности выпечки на 23-27 %, теплопотери на 2325 %, энергоресурсов на 17-19 %, металлоёмкости оборудования, при повышении производительности хлебопекарной печи на 20-25 %.
Ключевые слова: бездрожжевая тестозаготовка, инфракрасное излучение, хлебопекарная печь, хлеб.
ВВЕДЕНИЕ
Анализ экспериментальных исследований показал, что изготовление бездрожжевого теста может осуществляться с заранее заложенными свойствами (физико-химическими и структурно-механическими) продолжительностью 9-15 минут [1, 2, 3]. Это обеспечивает возможность производства хлеба из муки ржаной и пшеничной в полевых условиях и значительно расширяет ассортимент готовых изделий.
В целях повышения эффективности производства хлеба в полевых условиях разработаны технические и технологические решения модернизации, модификации и совершенствования технических средств и технологического оборудования [4-6]. Изучение технических характеристик разработанных технических средств хлебопечения, а также особенностей производства хлебопродуктов в полевых условиях позволило сделать вывод, что суще-
ствующее техническое оборудование и образцы не обеспечивают интенсификацию выпечки хлеба из сдобного бездрожжевого теста. Это обстоятельство вызывает необходимость разработки нового технологического оборудования для производства хлебопродуктов из теста влажностью 57-59 %.
ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В целях обеспечения равномерности прогрева тестозаготовки, сокращения тепло-потерь, продолжительности тепловой обработки, а также улучшения показателей качества и повышения безопасности готовой продукции (снижение образования канцерогенных веществ), КПД теплового аппарата при эксплуатации предложена хлебопекарная печь ХПЭ-ИК-0,5 (инфракрасного излучения, производительностью 500 кг/сут). Сущность ее заключается в использовании физических принципов воздействия инфракрасного излу-
чения при принудительном конвекции на молекулярную структуру сбивного теста в процессе тепловой обработки.
Принцип работы аппарата основан на использовании физических принципов термодинамики, а конструкция печи позволяет интенсифицировать выпечку хлеба за счет теплового воздействия на тестозаготовку инфракрасного излучения и образования эффекта «русской печи» за счет использования каменного пода.
В настоящее время для выпечки хлеба вне стационарных условий для малочисленных подразделений используется хлебопекарная печь ХП-0,4 (производительностью
400 кг/сут). Принцип ее работы основан на использовании твердого (дрова, уголь, пел-леты) и жидкого (дизельного) топлива.
Повышение эффективности работы хлебопекарной печи ХПЭ-ИК-0,5 достигается за счет упрощения конструкции, включения нагревательных элементов с инфракрасным излучением в коротковолновой области, автоматизированной системы управления процессом тепловой обработки тесто-хлеб повышенной влажности. Под повышением эффективности понимается снижение продолжительности выпечки, а также энерго- и тру-доресурсов. Внешний вид печи ХПЭ-ИК-0,5 представлен на рисунке 1.
1 - пульт управления; 2 - корпус; 3 - стенка; 4 - каменный под; 5 - жарочная камера; 6 - датчик влажности; 7 - датчик температуры; 8 - лампа; 9 - вентилятор; 10 - нагреватели ИК-излучения; 11 - проем; 12 - дверка
Рисунок 1 - Внешний вид хлебопекарной печи ХПЭ-ИК-0,5 (в разрезе)
Конструктивной особенностью печи ХПЭ-ИК-0,5 является включение нагревателей ИК-излучения 10 (диапазон электромагнитных волн коротковолновый от А = 4,0-9 мкм), размещённых в стенках корпуса 2 (в вертикальной плоскости). Данный диапазон электромагнитных волн безвреден для человека.
Дополнительный эффект воздействия ИК-излучения на полуфабрикат (сбивное бездрожжевое тесто массой т = 1200 г) достигается посредством использования пода из натурального камня.
В предложенной подовой печи с технологией селективной трансформации на долю инфракрасного излучения приходится 90 % передачи теплоты (в отличие от 20-40 % в используемых), что обеспечивает интенсификацию выпечки и повышение показателей качества готовой продукции. Необходимо отме-
тить, что предложенный способ подвода теплоты в пекарную камеру обеспечивает снижение температуры парогазовой среды внутри нее, т. к. инфракрасные лучи проникают вглубь тестозаготовки и нагревают внутренние слои. Это обеспечивает снижение перегрева корки хлеба и меланоидинообразова-ния (канцерогенных веществ) на ее поверхности.
Подбор спектрального ИК-излучения на тестозаготовку обеспечивает нагрев внутренних слоев тестозаготовки (в отличие от поверхностного при традиционном подводе теплоты), а также локализацию сушки без нагревания всей площади и глубины. Принцип работы нагревателя обеспечивает воздействие инфракрасных лучей с длиной волны Л = 4-9 мкм и проникающей способностью I = 4-5 мм.
Эффект радиоволн обеспечивает про-
никновение сквозь светонепроницаемую структуру тестозаготовки и нагрев жидкости во внутренних слоях. Источники инфракрасного излучения характеризуются длиной волны максимального излучения Лмакс.
2898 2898
Т
273 +1,
(1)
где Тт, ^ - соответственно температура ИК-излучателя в рабочем режиме К, °С; 2898 - постоянный коэффициент, мкм/К.
В целях определения основных эксплуатационных показателей (производительности, коэффициента полезного действия, удельного расхода электроэнергии) предложенной хлебопекарной печи ХПЭ-ИК-0,5 предлагается использовать следующий математический аппарат.
Производительность печи ХПЭ-ИК-0,5 для выпечки при различных значениях Кз рассчитывается по формуле:
,(2)
П = 2100-
-х Кз = 2100-
, кг / ч
где тпр - масса изделий после тепловой обработки кг;
тц - продолжительность цикла при данной загрузке, ч;
тз, то, тв - продолжительность загрузки, тепловой обработки и выгрузки, ч; 2100 - расчетное время обработки (35 мин), с.
На производительность печи ХПЭ-ИК-0,5 влияет коэффициент загрузки Кз, который рассчитывается по зависимости
(3)
к3 = а
где а - фактическая загрузка, кг; ан - номинальная загрузка, кг.
Для обеспечения равномерного нагрева тестозаготовки до рекомендуемой температуры, качество и безопасность хлеба рекомендуется коэффициент загрузки (Кз = 0,8-0,85).
Основной теплотехнической характеристикой печи ХПЭ-ИК-0,5 является коэффициент полезного действия:
Ч ■■
Qn
-х 100%,
(4)
где йп - полезно используемая теплота, передаваемая тестозаготовке при тепловой обработке, Дж;
йзатр - теплота, выделяемая нагревательными элементами, Дж.
Выражение для определения количества теплоты, поглощаемого тестозаготовкой в процессе эксперимента при наличии двух видов теплоподвода имеет вид:
й = й + й , Дж (5)
где Qпк - количество теплоты, передаваемое тестозаготовке конвенцией, Дж; Опп - количество теплоты, передаваемое тестозаготовке посредством ИК, Дж.
Расчет КПД печи ХПЭ-ИК-0,5 при различных значениях Кз рассчитывается по зависимости:
Ч =
йпйн к3100%
йзатр
(6)
Удельный расход электроэнергии характеризует уровень совершенства хлебопекарной печи ХПЭ-ИК-0,5, правильность ее эксплуатации и организации производства, который рассчитывается по формуле:
АуД = — = (^ + ^К + ^ ,кВтч/кг, (7)
тпр тпраНКз
где А - общий расход электроэнергии за определенный промежуток времени, кВтч; тпр - масса хлеба выпекаемая за это время, кг; Рр, Рв, Росв - мощность ИК-излучателей, вентилятора, освещения, кВт; то, тц - продолжительность цикла и тепловой обработки продуктов питания, час.
Использование каменного пода, принудительной конвекции при ИК-обработке тес-тозаготовок (комбинированная выпечка) обеспечивает ускорение превращения теста-хлеб, получение хрустящей и ароматной корочки (с равномерным цветом, коричневатого оттенка) на поверхности готового изделия при снижении образования на ней канцерогенных веществ.
Предложенная хлебопекарная печь ХПЭ-ИК-0,5 по способу тепловой обработки обеспечивает сочетание в одном аппарате функции аэрогриля, духового шкафа, мангала на древесных углях, микроволной печи, электрогриля и объединяет в себе все достоинства этих устройств.
Инфракрасное излучение обеспечивает сохранение молекулярной и клеточной структуры тесто-хлеб. Нагрев тестозаготовки посредством ИК-обработки позволяет в 3 раза лучше сохранить влагу в мякише. При этом, несмотря на высокую температуру обработки, применяемая технология и предложенная печь позволяют обеспечить выпечку в ограниченном по площади помещении.
ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Проведенные натурные экспериментальные исследования позволили получить следующие результаты:
а
н
- доказана эффективность производства хлеба в ограниченном пространстве за счет включения предложенных технических решений в конструкцию хлебопекарной печи;
- достигнута интенсификация выпечки хлеба из сбивного бездрожжевого теста в 1,25-1,3 раза (рисунок 2) за счет совершенствования метода регулирования технологических процессов при снижении энергозатрат;
- конструктивные особенности печи ХПЭ-ИК-0,5 и предложенный принцип воздействия
теплоты на внутренние слои тестозаготовки внутри пекарной камеры не требуют разогрева парогазовой среды выше температуры 80 0С, что обеспечивает снижение энергозатрат, продолжительности выпечки и доказывает повышение ее эффективности (рисунок 3);
- оценка органолептических показателей качества хлеба, выпеченного из сбивного бездрожжевого теста по предложенной технологии и традиционной, представлена на диаграмме (рисунок 4).
Рисунок 2 - Зависимость повышения температуры тестозаготовки от продолжительности обработки в поле инфракрасного излучения
Рисунок 3 - Оценена эффективность внедрения технических и технологических разработок
Новизна технического решения состоит в том, что в отличие от аналогов для интенсификации процесса выпечки хлеба из сбивного бездрожжевого теста используется инфракрасное излучение длиной волны А = 4-9 мкм с селективной их трансформацией в комплексе с принудительной конвекцией Э = 0,50,7 м/с.
Практическая значимость технических
решений заключается в реализации возможности осуществления процесса производства хлеба при изменении принципа тепловой обработки тестозаготовки, что позволяет сократить продолжительность выпечки на 23-27 %, теплопотери на 23-25 %, энергоресурсы на 17-19 %, металлоёмкость оборудования с учётом повышения производительности хлебопекарной печи на 20-25 %.
Рисунок 4 - Диаграмма органолептических показателей качества хлеба, выпеченного из сбивного бездрожжевого теста
Таким образом, предложенная хлебопекарная печь ХПЭ-ИК-0,5 с нагревательными элементами инфракрасного излучения, вертикально размещенными по периметру пекарной камеры и каменного пода, обеспечивают селективную трансформацию инфракрасного излучения в процессе тепловой обработки тестозаготовки, что позволяет ускорить переход теста-хлеб, обеспечивает повышение температуры внутри полуфабриката на 30 0С за счет более эффективной передачи теплоты и более глубокого проникновения ИК-лучей, что ускоряет кипение жидкости внутри него и преобразование теста в мякиш. Это снижает потребность в предварительном прогреве пекарной камеры, обеспечивает экономию энергии и ускоряет выпечку. Инфракрасное излучение щадяще воздействует на молекулярную и клеточную структуру теста-хлеб, позволяет нагреть и сохранить влагу во внутренних слоях тестозаготовки при выпечке.
Направлениями дальнейших исследований является научное обоснование предложенных технических решений по методике, предложенной в [7].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Конструктивные и технологические приемы интенсификации замеса теста и повышения качества хлеба / Г. О. Магомедов // Вестник ВГУИТ. -2019. - Т 81. - № 1. - С. 232-237.
2. Магомедов, Г. О.Научные и практические основы технологии сбивных функциональных хлебобулочных изделий / Г. О. Магомедов, Е. И. Пономарева. - Воронеж : ВГТА, 2010. - 241 с.
3. Магомедов, Г. О. Влияние формы месильной лопасти на энергетические характеристики сбивания и качество бездрожжевого полуфабриката / Г. О. Магомедов, Е. И. Пономарева, В. В. Рыжов // Хлебопродукты. - 2011. - № 10. - С. 48-49.
4. Пат 2636759. Российская Федерация, МПК А21D 8/00 А21D 8/02 Способ производства мелкоштучных хлебобулочных изделий [Текст] / Романчиков С. А. (RU); Безгин М. В. (RU); заявитель и патентообладатель ФГКВОУ ВО «Военная академия материально-технического обеспечения» имени генерала армии А.В. Хрулева (RU). -№ 2017101776 приор. 19.01.2017, опубл. 28.11.2017. - Бюл. № 34.
5. Пат. 158128 Российская Федерация, МПК A21B 1/00, Устройство для производства хлебобулочных изделий [Текст] / Романчиков С. А. (RU), Безгин М. В. (RU), Антуфьев В. Т. (RU), Иванова М. А. (RU), Николюк О. И. (RU), Стулов С. В (RU), Пахомов В. И (RU); заявитель и патентообладатель Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулева» (RU).-№ 201500836/10 ; заявл. 12.01.2015 г. опубл. 20.12.2015 г. - Бюл. № 35. - 10 с. : ил.
6. Верболоз, Е. И. Особенности низкотемпературной тепловой обработки мясопродуктов в пароконвектомате с наложением ультразвуковых колебаний / Е. И. Верболоз, С. А Романчиков // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. - 2017. - Т. 79. -№ 3 (73). - С. 35-41.
7. Ермошин, Н. А. Методологические аспекты научного обоснования технических решений модификации технических средств и технологического оборудования продовольственной службы / Н. А. Ермошин, С. А. Романчиков // Ползуновский вестник. - 2020. - № 2. - С. 100-106.
Лобов Александр Анатольевич, соискатель Военной академии материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулева. Санкт-Петербург, e-mail. [email protected]; тел. 8(911)-088-81-73.
