CC BY
28
МАШИНЫ, АГРЕГАТЫ И ПРОЦЕССЫ
УДК 664.6
ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ПРОЦЕССА ЗАМЕСА ТЕСТА В ТЕСТОМЕСИЛЬНОЙ МАШИНЕ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
Е.С. Горошилова, В.В. Прейс
Предложена методика научно обоснованного выбора рациональных параметров процесса замеса теста в тестомесильной машине периодического действия с под-катной дежой, обеспечивающих требуемые показатели качества теста. Методика основывается на аппроксимационных моделях зависимости упругости теста от продолжительности его брожения для различных скоростей вращения месильного органа с учетом требуемой кислотности в тесте.
Ключевые слова: тестомесильная машина, аппроксимационная модель.
В ходе процесса замеса опары или теста, в зависимости от характера протекания различных его этапов, происходит формирование внутренней клейковинной структуры теста с образованием различного числа межи внутримолекулярных связей. От их числа зависят структурно-механические свойства теста (вязкость, упругость, текучесть) как сразу после замеса, так и на всех дальнейших этапах его обработки. При замесе теста, для получения заданных его свойств, процесс должен пройти три стадии или этапа [3, 4] образования и развития структуры. Эти стадии прослеживаются на кривой консистограммы замеса, представляющей собой диаграмму изменения нагрузки на валу тестомесильной машины в ходе процесса.
Исследования интенсивного замеса теста, в частности на машине ротационного типа [2], показывают, что при выработке хлеба упек снижается на 1,63 %, уменьшается толщина корки, повышается ее эластичность. Это связано с тем, что более эластичной становится сама клейковина, изменение ее структуры способствует снижению газо- и паропроницаемости поверхностного слоя заготовок при выпечке [1]. Тесто при интенсивной проработке приобретает структуру, которая позволяет ему удерживать газообразные продукты брожения в массе уже до начала стадии созревания [5, 6]. Отмечено также, что хлеб высокого качества можно получить, если после замеса с удельной работой 16 Дж/г оставить тесто для брожения на
0,75 ч при увеличении удельной работы до 40 Дж/г это время сокращается до 0,5 ч [7]. Elton [8] указывает, что при определенной интенсивности замеса теста возможно вообще исключить для него технологическую стадию брожения.
Для каждого типа тестомесильных машин рациональное время замеса можно однозначно связать строгой математической зависимостью с параметром скорости замеса - скорости движения рабочих органов. Используя такого рода зависимости и зная реальные скорости замеса конкретных конструкций тестомесильных машин, можно определять и оптимальное время замеса. Подобные исследования для различных типов тестомесильных машин провел Huber [9, 10].
В данной работе использованы результаты экспериментальных исследований процессов замеса теста из пшеничной муки высшего сорта в тестомесильной машине периодического действия с подкатной дежой, полученные Литовченко И.Н. [4]. Упругость теста выражена в условных единицах прибора ИДК-1 (табл. 1).
Таблица 1
Зависимость упругих свойств теста от режимов замеса
Продолжительность брожения, мин Упругость теста, единицы прибора ИДК-1
Частота вращения месильных органов, с-1
8,33 10 11,67
Длительность замеса, с
180 210 180 210 180 210
0 7,5 70 68 68,5 68 68,5
10 78 73 73 71 72 71,5
20 81 77 76 74 75 74,5
30 82,5 81 79 78 78 77,5
40 83,5 82 81 79 79 78,5
50 85 83,5 83 81 80 80
60 86,5 84 84 82 82 82
По данным табл. 1 в программе CurveExp была проведена аппроксимация результатов изменения упругих свойств теста в течение первого часа после замеса для диапазона частот вращения месильных органов 8,33; 10; 11,67 с-1 и длительности замеса 180...210 с. Во всех случаях продолжительность брожения рассматривалась в диапазоне от 0 до 60 мин.
Рассматривали два вида аппроксимирующих уравнений:
_ a•b+c•xd
Morgan-Mercer-Flodin (ММБ-модель) У = ~b d~T~. (1)
( b + x )
Exponential Association (ЕА-модель) y = a • (b - e-cx ). (2)
Однако, проанализировав результаты аппроксимации и вид графиков по значениям критериев аппроксимации и по характеру химико-физических процессов, пришли к выводу, что наиболее точно и корректно изменение упругих свойств теста в течение первого часа после замеса в зависимости от продолжительности брожения теста описывает MMF-модель. Поэтому эту модель и стали использовать в дальнейших исследованиях.
На рис 1 показаны зависимости изменения упругих свойств теста в течение первого часа после замеса от продолжительности брожения теста для частоты вращения месильного органа 8,33 с-1 и длительности замеса 180 с (рис. 1, а), и 210 с (рис. 1, б). На рис. 1 обозначено: по оси Y - упругость теста в единицах прибора ИДК-1; по оси Х - продолжительность брожения теста, с.
S = 0.55646161 г = 0.993 2 4 568
X Axis (units)
а
S = 0.42 3568 3 8 г = 0.99 849 0 00
X Axis (units) б
Рис. 1. Зависимости упругих свойств теста от продолжительности брожения теста, замешиваемого в течение 180 с (а) и 210 с (б), при частоте вращения месильного органа 8,33 с-1
Числовые значения коэффициентов аппроксимирующих уравнений и критериев аппроксимации (S - среднее квадратическое отклонение, r -коэффициент корреляции) даны в табл. 2.
Таблица 2
Результаты аппроксимации _
№ Продолжительность брожения теста, с Коэффициенты уравнения Критерии аппроксимации
а б с д S r
1 180 (см. рис. 1, а) 77,32 411 92,03 1,58 0,556 0,993
2 210 (см. рис. 1, б) 70,05 481 85,81 2,01 0,423 0,998
На рис. 2 показаны зависимости изменения упругих свойств теста в течение первого часа после замеса от продолжительности брожения теста для частоты вращения месильного органа 10 с-1.
X Axis (units)
а
S = 0.52549064 г = 0.99739033
и
Ё
(Л
X <
>- -
X Axis (units) б
Рис. 2. Зависимость упругих свойств теста от продолжительности брожения теста, замешиваемого в течение 180 с (а), 210 с (б) при частоте вращения месильного органа 10 с-1
Числовые значения коэффициентов уравнений и критериев аппроксимации даны в табл. 3.
Таблица 3
№ Продолжительность брожения теста, с Коэффициенты уравнения Критерии аппроксимации
а б с д S r
1 180 (см. рис. 2, а) 68,02 53,35 101 0,96 0,263 0,999
2 210 (см. рис. 2, б) 68,53 352 8,58 1,74 0,525 0,997
На рис. 3 показан характер изменения свойств теста в течение первого часа после замеса для диапазона частот 11.67 с-1.
Числовые значения коэффициентов уравнений и критериев аппроксимации даны в табл. 4.
S = 0.51707219 г = 0.99723851
X Axis (units)
a
S = 0.45543587 r = 0.99775811
X Axis (units) б
Рис. 3. Зависимости упругих свойств теста от продолжительности брожения теста, замешиваемого в течение 180 с (а), 210 с (б) при частоте вращения месильного органа 11,67 с-1
Таблица 4
Результаты аппроксимации _
№ Продолжительность брожения теста, с Коэффициенты уравнения Критерии аппроксимации
а б с д S r
1 180 (см. рис. 3, а) 67,99 5,59 9,02 1,09 0,517 0,997
2 210 (см. рис. 3, б) 68,47 97,44 93,30 1,15 0,455 0,998
Сведём результаты аппроксимации экспериментальных данных замеса теста с частотой вращения месильного вала 8,33 с-1, 10 с-1, 11,67 с-1 при длительности замеса 180 и 210 с в зависимости от продолжительности брожения 0...60 мин путем построения графиков полученных аппроксима-ционных зависимостей в программе МаШСаё на одном поле (рис. 4).
По ГОСТ13586.1-68 «Зерно. Методы определения количества и качества клейковины в пшенице» значение клейковины считается хорошим в рамках 55.80 единиц ИДК-1 (в табл. 1 соответствующие значения выделены полужирным шрифтом). Однако, анализ многочисленных источников, в том числе, в сети Интернет, показал, что при производстве белого
хлеба для получения качественного изделия многие хлебозаводы рекомендуют показатели упругости теста в пределах 75.80 единиц ИДК-1 (на рис. 4 эта область значений выделена полужирными линиями). При использовании соответствующих улучшителей из такой муки можно вырабатывать очень пышные изделия с сильно развитой пористостью.
Рис. 4. Объединённая ИИГ-модель зависимости упругих свойств теста от продолжительности его брожения при частотах вращения месильного органа 8,33 с-1,10 с-1,11,67 с-1 и продолжительности
замеса теста 180 и 210 с
Из рис. 4 наглядно видно, что для большинства режимов замеса рекомендуемая выше упругость теста в пределах 75.80 единиц ИДК-1 достигается при продолжительности брожения теста от 20 до 40 мин.
При обосновании рациональных режимов замеса следует иметь в виду, что интенсивная механическая обработка положительно влияет на укрепление клейковинной структуры теста, на улучшение его физических свойств. Увеличение удельной работы приводит к возрастанию упругости теста после окончания замеса. В ходе брожения его физические свойства остаются в пределах, благоприятных для дальнейших операций тестоведе-ния. Упругопластические свойства теста определяются степенью развития клейковинного каркаса, который в свою очередь зависит от количества внутри и межмолекулярных связей белковых молекул. Их количество, как показали результаты экспериментов Литовченко И.Н. [4], прямо пропорционально энергии, затраченной на процесс.
Рассмотрим еще один важный показатель, характеризующий качество замеса, титруемую кислотность в тесте. В табл. 5 представлены результаты Литовченко И.Н. [4] по определению зависимости титруемой кислотности в тесте, замешиваемого в течение 180 и 210 мин, от продолжительности брожения в диапазоне 0.3 ч при частотах вращения месильного органа 8,33, 10 и 11,67 с-1.
Таблица 5
Результаты экспериментов по определению кислотности в тесте_
Режим Частота вращения месильного органа ю, с-1 Длительность замеса 4, с Критерий энергозатрат, Кэ = ю?з Титруемая кислотность, град / упругие свойства теста, ед. ИДК
Продолжительность брожения теста %б, ч
0 1 2 3
1 8,33 180 1499 2,0/75 2,2/86,5 2,7 2,8
2 210 1749 2,0/70 2,5/84 2,9 3,0
3 10,00 180 1800 2,1/68 2,6/84 3,0 3,3
4 210 2100 2,1/68,5 2,7/84 3,0 3,3
5 11,67 180 2100 2,0/68 2,5/82 2,8 3,0
6 210 2450 2,1/68,5 2,7/82 2,9 3,3
По ГОСТ 27844-88 «Изделия булочные. Технические условия» кислотность булки городской из муки высшего сорта должна составлять 2,5 град. Для наглядности в табл. 5 выделим значения, соответствующие ГОСТ, полужирным шрифтом с подчеркиванием, а значения, слегка превышающие ГОСТ и означающие, что нужная кислотность в тесте была достигнута в течение последнего часа - полужирным шрифтом.
Дополнительно в ячейках табл. 5 для продолжительности брожения теста 0 и 1 ч после значений титруемой кислотности указаны соответствующие им значения упругости теста в единицах ИДК-1 из табл. 1.
Для обоснования выбора рационального режима замеса теста введем критерий энергозатрат
Кэ =Шз, (3)
где ю - частота вращения месильного органа, с-1; % - время замеса, мин.
Числовые значения критерия энергозатрат представлены в табл. 5.
В качестве второго критерия для выбора рационального режима замеса теста примем общую длительность технологической операции
Т = %з + %б, (4)
где - продолжительность брожения теста, мин (см. табл. 5).
Очевидно, что рациональный режим замеса теста должен характеризоваться минимальными значениями обоих критериев (3) и (4). Предварительный анализ данных, представленных в табл. 4, показывает, что только два режима (№№ 3 и 4) при продолжительности брожения теста менее одного часа могут отвечать этому условию.
Для выявления рационального режима замеса найдем аппроксимирующую зависимость титруемой кислотности в тесте, замешиваемого в течение 180 и 210 с, от продолжительности брожения в диапазоне 0...3 ч при частоте вращения месильного органа 10 с-1. На основе данных табл. 5 в программе СигуеБхр была найдена аппроксимирующая функция в виде квадратного уравнения
у = а + Ь • х + с • х2. (5)
Значения коэффициентов уравнения (5) и критериев аппроксимации приведены в табл. 6.
Таблица 6
Результаты аппроксимации _
№ Продолжительность брожения теста, с Коэффициенты уравнения Критерии аппроксимации
а б с £ г
3 180 2,10 0,55 - 0,05 0,00 1,00
4 210 2,12 0,62 - 0,075 0,00 1,00
Из табл. 6 видно, что аппроксимирующие зависимости для обоих режимов практически совпадают. Используя полученную аппроксимирующую функцию (5) с коэффициентами из табл. 6, найдем значения продолжительности брожения теста, при которых титруемая кислотность в тесте достигает требуемого значения 2,5 град. Решение уравнения (5), найденное с использованием встроенной функции программы МаШСаё, дает следующие значения продолжительности брожения теста для режимов:
а) № 3 - ^ = 0,783 ч;
б) № 4 - tб = 0,667 ч.
Тогда общая длительность технологической операции (4) замеса теста будет равна для выбранных режимов:
а) № 3 - Т = 0,783 + 0,05 = 0,833 ч (49,8 мин);
б) № 4 - Т = 0,667 + 0,05 = 0,717 ч (43 мин).
Используя полученное ранее аппроксимационное уравнение (1), определим значения показателя упругости теста в единицах ИДК, достигаемые при выбранных режимах:
а) № 3 - ИДК = 82,7;
б) № 4 - ИДК = 79.
Анализ полученных результатов позволяет сделать обоснованный вывод, что рациональным режимом замеса теста, обеспечивающим минимальные энергозатраты (3) и общую продолжительность технологической операции (4), является режим № 4, характеризующийся следующими параметрами технологической операции и показателями качества теста:
1) частота вращения месильного органа ю = 10 с-1;
2) длительность замеса теста tз = 180 с;
3) продолжительность брожения теста tб = 0,667 ч;
4) общая продолжительность операции Т = 0,717 ч;
5) упругость теста в единицах ИДК = 79;
6) титруемая кислотность в тесте 2,5 град.
Таким образом, в данной работе предложена методика научно обоснованного выбора рациональных параметров процесса замеса теста в тестоделительной машине периодического действия с подкатной дежой, обеспечивающих требуемые показатели качества теста, минимальные энергозатраты и общую продолжительность технологической операции, на примере приготовления замеса для хлебобулочных изделий из пшеничной муки высшего сорта. Предложенная методика может быть использована для нахождения рациональных параметров замеса теста и для других видов хлебобулочных изделий.
Список литературы
1. О кинетике коэффициентов теплопроводности и теплового потока при инфракрасной сушке сухарей / Дуденко В.П. [и др.]. // Известия вузов СССР. Пищевая технология. 1974. № 6. С. 121-124.
2. Козлов Г.Ф., Пшенишнюк Г.Ф., Мевделеев В.И. Упек и усушка хлеба при интенсивном замесе. М.: ЦНИИТЭИпищепром. 1980. № 4. С. 1516.
3. Лисовенко А.Т. Технологическое оборудование хлебозаводов и пути его совершенствования. М.: Легкая и пищевая промышленность. 1982. 208 с.
4. Литовченко И.Н. Интенсификация процесса замеса и совершенствование тестомесильных машин периодического действия. М.: 1984. 213 с.
5. Пшенишнюк Г.Ф. Процессы смешивания и пластикации при двухстадийном приготовлении пшеничного теста в хлебопекарном производстве. М. 1984. 250 с.
6. Пшенишнюк Г.Ф., Козлов Г.Ф., Менделеев В.И. Исследование технологии приготовления хлеба с интенсивным замесом теста. М.: ЦНИИТЭИпищепром. 1978. № 12. С. 8-9.
7. Трубенков П.Т. Влияние интенсивности замеса на продолжительность брожения теста // Хлебопекарная и кондитерская промьшлен-ность. 1971 № 7. С. 9-11.
8. Elton G.A.H. Mechanical dough development // Baker's Digest. 1965. N 4, p. 38-42.
9. Huber Н. Der Knetprozess bei verschiedenen Knetsystemen // Brotindustrie. 1967. N 7. S. 190, 192-196.
10. Huber H. Die Teigtemperatur in Korellation zur EarA technik // Brot und Geback. 1970. N 3. S. 46-52.
Прейс Владимир Викторович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, rabota-preys@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Горошилова Елизавета Сергеевна, магистрант, igoroshinkai@,mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
SUBSTANTIA TION OF RA TIONAL MODES OF THE DO UGH MIXING PROCESS IN THE DOUGH MIXING MACHINE PERIODIC ACTION
E.S. Goroshilova, V.V. Preis
A method of scientifically based selection of rational parameters of the dough mixing process in a batch kneading machine with a rolling press, providing the required quality indicators of the test, is proposed. The method is based on approximation models of the dependence of the elasticity of the dough on the duration of its fermentation for different speeds of rotation of the kneading body, taking into account the required acidity in the test.
Key words: dough mixing machine, approximation model.
11
Preis Vladimir Viktorovich, doctor of technical sciences, professor, head of department, rabota-preys@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Goroshilova Elizaveta Sergeevna, postgraduate, igoroshinkaiamail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 664:621.01
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ И КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ КОНСТРУКЦИИ СМЕСИТЕЛЯ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ «ЖИДКОСТЬ - ГАЗ»
Т.Г. Морозова
Представлена технологическая и физическая оценка дисперсной системы «Жидкость-Газ». Проведена экспериментальная оценка процесса смешивания на основе разработанного алгоритма. Сформированы экспериментальные обоснования параметров процесса смешивания и используемого для этого оборудования.
Ключевые слова: многокомпонентная система, пена, смешивание, эксперимент, алгоритм, технологические рекомендации, производительность, эффективность.
Формирование различных по составу и свойствам пен в пищевых, биотехнологических и прочих смежных производствах весьма распространено. Так всем известны молочные коктейли, в которых пена длительное время сохраняет стабильное состояние. Засушенная пена характерна для производств пастилы и зефира. Замороженная пена - продукт производства мороженого. Сваренная или запеченная мясо-компонентная смесь даёт в результате продукт, известный как вареная колбаса или колбасный хлеб. Таким образом, формирование пен - многокомпонентной системы на основе жидкостной фазы с меньшим равномерным распределением газообразной фазы, является актуальной производственной задачей, реализуемой различными техническими решениями.
Пена представляет собой дисперсную систему «Жидкость-Газ», которую условно можно представить, как скопление пузырьков газа, разделенных прослойками жидкости [4-6]. Её формирование может быть технологической задачей или результатом эффекта смешения двух фаз при переработке жидкости, её транспортировки. Пены относятся к структурированным термодинамически неустойчивыми системам. Устойчивое состояние системы соответствует полной коалесценции, т.е. расслоению системы с превращением в две объемные фазы «Жидкость-Газ» с минимальной поверхностью раздела. Разрушение пены объясняется наличием избытка поверхностной энергии межпленочной жидкости, диффузии газов между пузырьками, разрыва индивидуальных пленок пены.
12
