Научная статья на тему 'Расчет кинетики процесса выпечки бисквита'

Расчет кинетики процесса выпечки бисквита Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
595
58
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВЫПЕЧКА / КИНЕТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ / БИСКВИТ

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Антипов С. Т., Овсянников В. Ю., Кондратьева Я. И.

На основании введенных эквивалентных значений теплофизических величин и коэффициента теплоотдачи рассчитаны величины, отражающие кинетические закономерности процесса выпечки бисквита, позволяющие определить взаимосвязь продолжительности выпечки от температуры в пекарной камере, а также напряжение активной площади пода.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Антипов С. Т., Овсянников В. Ю., Кондратьева Я. И.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Calculation the kinetics of the baking biscuit process

Based on the input values of the equivalent values of thermophysical units and the heat transfer coefficient were calculated: values that reflect the kinetics of the process of baking; values allowing to determine the relationship duration baking temperature in the baking chamber; the voltage of the active area of the hearth.

Текст научной работы на тему «Расчет кинетики процесса выпечки бисквита»

<ЪестниъФТУЖЛС, №2, 2013

УДК 664.655.1

Профессор С.Т. Антипов, доцент В.Ю. Овсянников, студент Я.И. Кондратьева

(Воронеж. гос. ун-т. инж. технол.) кафедра машин и аппаратов пищевых производств, тел. (473) 255-38-96

Расчет кинетики процесса выпечки бисквита

На основании введенных эквивалентных значений теплофизических величин и коэффициента теплоотдачи рассчитаны величины, отражающие кинетические закономерности процесса выпечки бисквита, позволяющие определить взаимосвязь продолжительности выпечки от температуры в пекарной камере, а также напряжение активной площади пода.

Based on the input values of the equivalent values of thermophysical units and the heat transfer coefficient were calculated: values that reflect the kinetics of the process of baking; values allowing to determine the relationship duration baking temperature in the baking chamber; the voltage of the active area of the hearth.

Ключевые слова: выпечка, кинетические закономерности, бисквит.

Выпечка - нестационарный процесс теплообмена с изменением агрегатного и коллоидного состояния материала, сопровождающийся перемещением и испарением влаги.

Под воздействием теплоты и влаги в тесте, являющемся по своему строению и химическому составу высокогидратированным кол -лоидным материалом, одновременно протекают тесно связанные между собой физические, биохимические, химические, микробиологические и коллоидные процессы.

При выпечке тесто нагревается без удаления влаги из основной массы и только с частичным удалением влаги из поверхностных слоев, которые обезвоживаются не только из-за испарения влаги и удаления ее в окружающую среду, но также благодаря перемещению влаги внутрь. Поэтому влажность основной массы теста несколько увеличивается. Такое состояние влажного материала обусловлено значительной разностью температур внутри теста в процессе выпечки. Поэтому характер протекания процесса определяется основными законами миграции влаги в коллоидных капиллярно-пористых телах при значительном температурном градиенте.

Перемещение влаги внутри тестовой массы в процессе выпечки происходит по законам влагопроводности и термовлагопроводности.

При соприкосновении влажного материала с начальным равномерным влагосодержа-нием с нагретым воздухом влага с поверхности начинает испаряться и покидать поверхность

© Антипов С.Т., Овсянников В.Ю., Кондратьева Я.И., 2013

материала, переходя путем диффузии в окружающую среду. При этом создается разность между влажностями последующих глубинных слоев материала и его поверхностного слоя, что вызывает перемещение влаги внутри материала к его поверхности [1].

Температурное поле теста при выпечке характеризуется тремя зонами: поверхностью изделия, зоной испарения и центром мякиша.

Процесс выпечки можно представить в следующем виде: вначале температурный гра-диент значителен и влага под его влиянием, преодолевая силы, вызываемые влагопроводно-стью, перемещается внутрь, в основном, в виде жидкости. Это перемещение происходит постепенно в виде распространяющейся волны влаги внутри теста. Толщина корки является функцией времени, причем одновременно с образованием корки влажность горячего изделия увеличивается по сравнению с начальной влажностью теста. Поскольку в капиллярах поверхностного слоя находится влажный воздух, то вследствие относительной термодиффузии, воздух стремится переместиться по направлению потока теплоты от поверхности тела внутрь, а водяной пар будет перемещаться к поверхности тела из внутренних слоев зоны испарения.

По мере прогрева теста температурный градиент уменьшается, и силы, вызываемые термовлагопроводностью, не могут преодолеть силы влагопроводности; они только предотвращают перемещение влаги к поверхности. К этому времени волна влаги под действием сил, вызываемых термовлагопроводностью, доходит до центральных слоев и повышает общую

<ЪестнипФТУЖЛС, №2, 2013L

влажность тестовой массы. Начиная с этого момента (второй период процесса выпечки), зона испарения углубляется внутрь материала с постоянной скоростью.

Скорость и характер протекания процесса выпечки в значительной мере зависят от степени увлажнения среды в первой стадии процесса и интенсивности конденсации пара на поверхности тестовой заготовки.

Механизм процесса выпечки в условиях повышенной влажности паровоздушной среды пекарной камеры обоснован закономерностями теории сорбции пара коллоидными капиллярно-пористыми материалами.

Интенсивность и длительность сорбции влаги, конденсируемой на поверхности и в поверхностных слоях куска теста, зависят от влажности паровоздушной смеси пекарной камеры, ее температуры и от температуры поверхностных слоев теста.

Конденсация влаги на поверхности куска теста прекращается, как только температура поверхности куска теста становится выше температуры точки росы. Поэтому в начале выпечки необходимо создать такие условия, которые обеспечили бы протекание процесса сорбции при хорошем контакте между паром и поверхностью теста; кроме того, при этом пар не должен перегреваться.

Конденсация пара, сорбция в начальной фазе и максимально возможное повышение температуры среды пекарной камеры на следующей фазе процесса выпечки интенсифицируют прогрев поверхностных слоев и создают достаточную разность между температурами слоев, усиливающую перемещение влаги от корки внутрь изделия.

Одновременно с этим выделяющаяся теплота сорбции также в значительной степени способствует закреплению формы изделия за счет процессов клейстеризации крахмала и коагуляции белков в массе изделия, а конденсирующаяся влага, растворяя сахара, подготавливает процесс карамелизации, обеспечивающий получение тонкой корочки.

Повышение эффективности процесса выпечки мучных кондитерских изделий является актуальной научно-технической проблемой, имеющей большое экономическое значение. Выпечка осуществляется в хлебопекарных печах, от степени совершенства которых во многом зависят как стоимость и свойства изделий, так и общие затраты энергии на их получение. В настоящее время на долю процесса выпечки приходится 70 % всех энергозатрат при произ-

водстве мучных кондитерских изделий [2].

Нерациональное использование подводимой теплоты к выпекаемым изделиям происходит из-за неправильной оценки основных параметров процесса, учитывающих температуру выпечки и ее продолжительность во взаимосвязи со структурой и формой выпекаемой продукции.

Для правильного проведения процесса необходимо рассчитать его кинетические закономерности, позволяющие определить взаимосвязь продолжительности выпечки и температуры в пекарной камере, а также напряжение активной площади пода, что позволит наметить рациональные пути увеличения производительности печи.

Рассматривая выпекаемый пласт бисквита как сложное тело, состоящее из мякиша и корки, размеры и теплофизические свойства которых изменяются во время выпечки, следует оперировать их эквивалентными величинами.

Приближенный расчет продолжительности выпечки бисквита можно получить, используя уравнение температурной кривой с допущением, что выпекаемое изделие явля-ется простым телом с постоянными значениями физических констант, а температура на границе корки-мякиша постоянна и равна температуре испарения [3].

Рассчитаем время выпечки бисквитного коржа с размерами 0,20^0,30^0,04 м при следующих данных: средний коэффициент теплоотдачи а =15,1 Вт/(м2 град); средний коэффициент теплопроводности бисквитного теста ^пов=0,2 Вт/(м К) [4].

Эквивалентный коэффициент теплопроводности при толщине корки 8к=0,001 м и толщине мякиша 8м = 0,04 м может быть найден по формуле:

А =-

Я

^ло ^ ^ ' (1)

ДК + ЛМ

К Км

где Яэкв - эквивалентный радиус выпекаемого изделия, м; А™ - теплопроводности корки теста и тестового мякиша, Вт/ (м-К). Используя справочные данные, примем ^к=0,055 Вт/(м К), А™ = 0,401 Вт/ (м-К).

Эквивалентный радиус определяется по формуле

Я _

1

111'

- + — + —

I Ь к

(2)

где I, Ь, к - геометрические размеры коржа.

(BecmHu-KjBcpyWïït, №2, 2013L

r __

же 1

1

1 1

+ —+-

- = 0,03 M-

0,2 0,3 0,04 0,03

'экв 0,001 0,04

= 0,254 Вт/(м К)

0,055 0,401

Эквивалентная удельная теплоемкость бисквита определяется по формуле:

Сэкв

С • S + С • s

к к тм м

SK + SM

(3)

где ск, стм - теплоемкости корки теста и тестового мякиша бисквитного теста, кДж/ (кг К). Используя справочные данные, примем ск =1,47кДж/ (кг К), стм = 2,909 кДж/ (кг К) [5].

1,47 • 0,001 + 2,909 • 0,04 „„„„ ^ „ ТЛЧ

с же =~-'-'-— = 2,874 кДж /(кг ■ К)

0,001 + 0,04

Эквивалентная плотность бисквита определяется по формуле:

_ s I Рт Рм s

Рэкв

(4)

где рк, рТ, ри - соответственно плотности корки бисквита, бисквитного теста и мякиша. Используя справочные данные, принимаем рк=485 кг/ м3, уОт=450 кг/ м3, рш = 480 кг/ м3.

485 • 0,001 + 450 + 480 • 0,04

Рэкв

■ = 465,5 кг/м

0,001 + 0,04 Эквивалентный коэффициент температуропроводности бисквита в процессе его выпечки определяется по формуле:

А-.

^экв Рэкв

(5)

« =-0254— = 0,190 -10~6 м2/с.

2874 • 465,5 Среднемассовая температура бисквита определяется по формуле:

^ мае

S мСм tм + S кСк tк

(6)

£ С + 2 С

Ьмм Ьк к

где £м и £к - масса мякиша и корки в бисквите на 1 кг изделия, кг; см - теплоемкость мякиша бисквита, кДж/(кг К). Используя справочные данные, примем см = 1, 7 кДж/(кг К). 1,075 -1,7 -100 + 0,078 -1,47 -102

t мае

1,075 -1,7 + 0,078 -1,47

= 100,10С

Безразмерная температура при температуре среды пекарной камеры ¿с=190 °С определяется по формуле:

1

tc - t0

6 tc - tмае

(7)

1 0

190 - 25

= 1,83

190 -100,1

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Критерий Био определяется по формуле:

Bi =

ÔR

(8)

Вг = = 2,3.

0,2

При Б1 = 2,3 имеем ¿2 = 1,250; М = 0,958 согласно номограмме Д. В. Бурдина.

Время выпечки определяем по формуле:

R2

т = -

ln|M

I в

(9)

(0,03)2

-ln(0,958 -1,83) = 2096 с,

т = -

0,190 -10^6 -1,25 что составляет около 35 минут.

Производительность печи, отнесенная к 1 м2 площади пода, занятого бисквитом, определяется по формуле:

S a

2Рбиск R3Ke

(10)

S a

2 • 480 • 0,03

2096

= 0,0137 кг/(м2 с)

Принимая, что в процессе выпечки критерий Б1 и физические константы не изменяются, на основании формулы (9) можно получить выражение для закона изменения температуры в толще бисквитного теста по времени, которое запишется следующим образом:

ti = tc ~(tc - tHm M , (11)

где Tj < t - произвольный отрезок времени в интервале 0-т с.

По найденному значению т; можно определить приращение энтальпий

выпекаемого изделия за отрезок времени Дт и связанную с этим затрату теплоты на выпечку.

Так, при R3KB = 30 мм, tc = 190 °С, т = 2096 с, M = 0,958, S2 = 1,250 и аэкв = 0,190-10-6 м2/с [6].

+

<ЪестниъФТУЖЛС, №2, 2013L

Определим показатель фигурирующий в формуле (11)

степени,

Я2

1,25 • 0,190 -10' 0,032

-т = 0,0002639т

По уравнению (11) была построена зависимость распределения температуры в бисквите в процессе выпечки при различной температуре в пекарной камере (рисунок 1).

100

262

786 1310 1680 ¡834 2096

1\,с

Рисунок 1 - Распределение температуры в бисквите в процессе выпечки при температуре в пекарной камере % °С: 1 - 190; 2 - 200; 3 - 210; 4 - 220

Для выявления влияния температуры среды пекарной камеры на ¿с, °С на снижение времени выпечки и пропорциональное ей повышение производительности печи ДП были выбраны температурные интервалы среды пекарной камеры для которых по формуле (12) рассчитаны величины продолжительности выпечки и определены значения повышения производительности, отнесенные к продолжительности выпечки при 1;с = 190 °С.

1,15

1,1

1,05

1,0

190

200

210

220

IX

Рисунок 2 - Зависимость повышения производительности печи ЛП от температуры среды в пекарной камере ^ °С в процессе выпечки при температуре в пекарной камере 1, °С: 1 - 190; 2 - 200; 3 - 210; 4 - 220

т = 106 (0,54 - 0,00ШС Я44, (12)

Из приведенного расчета следует, что повышение температуры пекарной среды и увеличение поверхностей нагрева в камере приводят к увеличению производительности печи. При этом одновременно растет также и коэффициент теплоотдачи, что в свою очередь увеличивает скорость выпечки.

Высокая температура интенсифицирует процесс выпечки бисквита, однако длительные воздействия высоких температур на корку не допускаются. В связи с этим следует признать, что для достижения максимальной скорости выпечки бисквитного теста в первой стадии выпечки после фазы конденсации пара и сорбции тесто должно подвергаться воздействию максимально допустимых температур, продолжительность которого должна быть тем меньше, чем выше температура греющих поверхностей.

При этом следует отметить, что чем выше тепловой поток в начале процесса выпечки и, чем быстрее повышается температура наружной поверхности корки, тем большее значение приобретает явление «выравнивания» температур внутри пласта выпекаемого бисквита.

ЛИТЕРАТУРА

1 Ауэрман, Л. Я. Технология хлебопекарного производства [Текст] / Л. Я. Ауэрман. - СПб.: Профессия, 2005. - 416 с.

2 Драгилев, А. И. Технологическое оборудование кондитерского производства [Текст] / А. И. Драгилев, Ф. М. Хамидулин. -СПб.: Троицкий мост, 2011. - 360 с.

3 Теоретические основы пищевых технологий [Текст]: книга 2 / отв. редактор В. А. Панфилов. - М.: КолосС, 2009. - 800 с.

4 Михелев, А. А. Расчет и проектирование печей хлебопекарного и кондитерского производств [Текст]: 3-е изд., перераб. и доп / А. А. Михелев, Н. М. Ицкович, М. Н. Сигал и др. - М.: Пищевая промышленность, 1979. -326 с.

5 Гинзбург, А. С. Массовлагообменные характеристики пищевых продуктов [Текст] / А. С. Гинзбург, И. М. Савина. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. - 280 с.

6 Гинзбург, А. С. Теплофизические характеристики пищевых продуктов [Текст] / А. С. Гинзбург, М. А. Громов, Г. И. Красовская. -М.: Пищевая промышленность, 1980. - 290 с.

(RecmHU-KjBcpyWnt, №2, 201.1 REFERENCES

1 Auerman, L. Y. Technology bakery production [Text] / L. Y. Auerman. - St. P.: Professi-ya, 2005. - 416 p.

2 Dragilev, A. I. Technology equipment for confectionery [Text] / A. I. Dragilev, F. M. Ha-midulin. - St. P.: Troitsky most, 2011. - 360 p.

3 Theoretical foundations of food technologies [Text]: book 2 / editor V. A. Panfilov. -M.: ColosS, 2009. - 800 p.

4 Mikhelev, A. A. Calculation and design of furnaces bakery and confectionery products [Text]: 3rd ed., rev. and additional / A. A. Mikhelev, N. M. Itskovich, M. N. Segal et al - M.: Pishevaya promyshlennost, 1979. - 326 p.

5 Ginsburg, A. S. Mass transfer and moisture exchange characteristics of food products [Text] / A. S. Ginzburg, I. M. Savina. - M.: Legkaya pishevaya promyshlennost, 1982. - 280 p.

6 Ginsburg, A. S. Thermal characteristics of food products [Text] / A. S. Ginsburg, M. A. Gromov, G. I. Krasovskaya. - M.: Pishevaya promyshlennost, 1980. - 290 p.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.