FORMATION OF FLOUR BAKING CAPACITY UNDER THE INFLUENCE OF STRUCTURAL AND MECHANICAL QUALITIES OF WHEAT GRAIN

ФОРМИРОВАНИЕ ХЛЕБОПЕКАРНЫХ СВОЙСТВ МУКИ ПОД ВЛИЯНИЕМ СТРУКТУРНОМЕХАНИЧЕСКИХ КАЧЕСТВ ЗЕРНА ПШЕНИЦЫ

Научная статья

Медведев П.В.¹ , Федотов В.А.², ^*, Бочкарева И.А.³ , Лукьянова Е.С.⁴

² ORCID: 0000-0002-3692-9722;

^1–4 Оренбургский государственный университет, Оренбург, Россия

* Корреспондирующий автор (vital_asm[at]mail.ru)

Аннотация

В статье показаны результаты сравнительного анализа методик определения структурно-механических свойств пшеницы различных сортов по итогам проведенного гранулометрического анализа размолотого зерна. Оценивали структурно-механические свойства зерна (твердозерность) ситовым методом и с помощью «компьютерного зрения». Обнаружена статистически значимая связь между стекловидностью зерновки и ее микротвердостью. У сортов твердой и твердозерной пшеницы эта связь проявляется в большей степени. Установлено, что микротвердость стекловидных зерен в среднем в два раза выше микротвердости мучнистых. Разработана методика фрактографического анализа пшеницы, позволяющая оценивать твердозерность зерна по гранулометрическим характеристикам продуктов его размола. Определена степень точности оценки твердозерности при различных методиках помола. В зависимости от методики лабораторного помола погрешность определения твердозерности фрактографическим анализом составляет от 2,4 до 3,8 %, ситовым анализом – от 4,0 до 8,2 %. На основе показателя твердозерности разработаны экспрессные методики прогнозирования качества хлеба из зернового сырья с помощью компьютерного зрения.

Ключевые слова: хлеб, оценка качества, зерно пшеницы, качество муки.

FORMATION OF FLOUR BAKING CAPACITY UNDER THE INFLUENCE OF STRUCTURAL AND MECHANICAL QUALITIES OF WHEAT GRAIN

Research article

Medvedev P.V.¹ , Fedotov V.A.², ^*, Bochkareva I.A.³ , Lukyanova E.S.⁴

² ORCID: 0000-0002-3692-9722;

^1–4 Orenburg State University, Orenburg, Russia

* Corresponding author (vital_asm[at]mail.ru)

Abstract

The article presents the results of a comparative analysis of methods for determining the structural and mechanical properties of wheat varieties based on the results of the granulometric analysis of ground grain. The structural and mechanical properties of the grain (grain hardness) were evaluated by the sieve method and with "computer vision". A statistically significant connection was found between the vitrescence of the grain and its micro hardness. In varieties of durum and hard-grain wheat, the connection is manifested to a greater extent. It was established that the micro hardness of vitreous grain is on average twice as high as the micro hardness of farinaceous grain. A method of fractographic analysis of wheat has been developed, which allows to evaluate the grain hardness by the granulometric characteristics of its grinding products. The degree of accuracy of the hardness evaluation with various grinding methods is determined. Depending on the method of laboratory grinding, the error in determining the hardness by fractographic analysis ranges from 2.4 to 3.8%, that by sieve analysis – from 4.0 to 8.2%. On the basis of the hardness rate, express methods for predicting the bread quality from grain raw materials using computer vision have been developed.

Keywords: bread, quality assessment, wheat grain, flour quality.

Введение

Стремление к выработке хлебопекарной продукции лучшего качества привело к разработке так называемой «прогрессивной технологии», которая в противоречии с биотехнологической природой производства хлебных изделий основывается на существенном сокращении продолжительности брожения и затрат сухого вещества муки при приготовлении полуфабрикатов [1]. В настоящее время по этой технологии вырабатывается до 90 % хлеба [2], что привело к существенному ухудшению качества изделий и значительным убыткам. Такое положение вещей определяется рядом причин. Не имея своих специальных методов исследования, она бессильна обеспечить получение такой информации о производстве хлебных изделий, которая позволила бы оптимизировать его и получать продукцию наилучшего качества, которое возможно при использовании данного сырья и рецептуры, данного способа приготовления теста и выпечки, данного технологического оборудования [3]. Все это свидетельствует об острой нужде в специальных методах исследования хлебопекарного производства. Необходимость решения этой проблемы путем разработки таких методов определила цель настоящей работы [4]. Показатель твердозерности зерна может служить критерием оценки физико-химических качеств [5]. Наиболее точный метод определения твердозерности обеспечивается прибором PertenInstrumentsSKCS [6].

Материалы и методы

В качестве материаладля изучения особенностей зернового сырья использовалось зерно 12-ти сортов пшеницы за 13 лет (2009–2021 гг.), возделываемой на территории Оренбургской области. Твердозерность измеряли степенью измельчения по проходу через сито No008 ПСИ, индексом размера частиц по проходу через сито No0071 ИРЧ); микротвердостью по микротвердомеру [7].Оценка твердозерности по показателю микротвердости является прямым способом определения, в отличие от показателей степени измельчения и индекса размера частиц, определяемымиситовым анализом размолотого зерна. Варьирование твердозерности у зерна пшеницы обусловлено наличием или отсутствием в зерне белка триалибина. Степень твердозерности пшеницы тесно связана с количеством поврежденных крахмальных зерен, получаемых после помола пшеницы. В свою очередь от степени поврежденности крахмала зависит их атакуемость ферментами и водопоглотительная способность муки. Количество поглощаемой мукой воды является важным фактором формирования реологических свойств замешиваемого теста и производимой хлебобулочной продукции. Частицы муки из зерна с меньшей твердозерностью сильнее слипаются из-за адгезии, образовывая более крупные конгломераты, подобная мука труднее проходит через сита, т.е. хуже высевается. Частицы такой муки имеют более неправильную форму, характеризуются большим количеством фрагментов эндосперма и гранул крахмала, менее прочно связанных белковой матрицей [8].

Помимо этого, для измерения твердозерностииспользовались достижения информационных технологий. Повышение информативности гранулометрического анализа возможно за счет цифровизации пищевой отрасли –развитии теории и практики внедрения в технологические процессы интеллектуальных систем. Так, анализмуки может быть модернизирован с помощью модификации гранулометрического анализа –дополнение его данными фрактографического анализа. Измерение геометрических параметров частиц муки проводилось не косвенным (ситовым) методом, а прямым методом –оптическоймикроскопией продуктов размола зерна. Для получения высококачественных изображений частиц муки в разработанной лабораторной установке пользовались восьмимегапиксельной камерой SonyIMX214. Точное позиционирование камеры над измельченным сырьем осуществлялось синхроннымисервоприводами, а обработка изображений снимков–с использованием библиотек технического зрения OpenCV [9]. Зерновыми мельницами измельчали зерна пшеницы, затем программно очерчивали каждую частицу размола замкнутым контуром. В результатенескольких сотен или тысяч подобных итераций накапливали большое количество фигур–контуров таких частиц. Программно определяли у них геометрические характеристики: из центров масс фигур выделяли отрезки, вычисляли среднеарифметические значения длин отрезков (Х) и коэффициенты вариации (К). Данные характеристики служили в последующем входными переменными в моделях для вычисления твердозерности.

Помолы проводили тремя мельничными установками. Измельчение зерна проводили на мельнице «Nagema812», на мельнице «Labormuszeriparimuvek», на мини-мельнице «Novita». Первые две представляют собой вальцовые мельницы, различающиеся по производственной мощности, последняя –зерновая мини-мельница роторного типа [10].

Результаты исследований

Сравнение результатов оценки твердозерности фрактографическим и ситовым анализом зерна, измельченного 3-мя способами (таблица 1) выявило высокую точность фрактографического метода.

Таблица 1–Связи твердозерности, оцененной разными способами (коэффициенты корреляции)

Метод переработки зерна	Мельница «Nagema»			«Labor muszeripari muvek»		мини-мельница «Novital»
Сортность муки	в/с	1	2	1	2	1	2
Твердозерность по данным фрактографического анализа	0,94±0,3	0,93±0,3	0,89±0,3	0,89±0,3	0,84±0,3	0,88±0,3	0,79±0,3
Твердозерность по ИРЧ	0,86±0,3	0,89±0,3	0,78±0,3	0,86±0,3	0,74±0,3	0,82±0,3	0,77±0,3
Твердозерность по ПСИ	0,90±0,3	0,86±0,3	0,83±0,3	0,85±0,3	0,83±0,3	0,80±0,3	0,76±0,3

Сформированные математические модели (уравнения регрессии) легли в основу методики оценки твердозерности фрактографическим способом. Для научного обоснования целесообразности использования фрактографического анализа для оценки качества зерна пшеницы определяли точность прогнозирования технологических свойств пшеницы фрактографическим способом. При измельчениимельницей «Nagema» погрешности оценки твердозерности менее 2,4%, «Labormuszeriparimuvek» –2,6 %, «Novital» –2,9%. Также для оценки качества хлеба пользовались фрактографическим анализом. Референтной методикой служила лабораторная выпечка хлеба двумяспособами (таблица 2). Выявлены общие закономерности связей качества пробной выпечки с твердозерностью зернового сырья вне зависимости от методики измельчения. Технологами-мукомолами исследована топография микротвердости эндосперма и оболочек зерновок стекловидной и мучнистой фракций сортов пшеницы различной консистенции. Значение микротвердости эндосперма и оболочек зерновок твердой и твердозерной мягкой пшеницы, как правило, выше аналогичных показателей зерновок мягкозерной пшеницы.

Таблица 2–Погрешности определения хлебопекарных качеств по твердозерности исходного зернового сырья, установленных фрактографически

Пробная выпечка	Характеристики	Метод переработки зерна
		Мельница «Nagema», %			«Labor muszeripari muvek», %		мини-мельница «Novital», %
		в/с	1	2	1	2	1	2
Трехфазный способ	Объемный выход, см³/100 г муки	7,2	7,5	8,0	8,7	8,1	9,9	12,1
	Формоустойчивость	11,2	11,7	11,2	10,7	12,1	13,4	17,2
	Балловая оценка, балл	15,1	13,3	12,4	14,4	16,1	19,5	18,7
Однофазный способ	Объемный выход, см³/100 г муки	8,7	8,4	8,2	10,1	10,2	12,9	16,9
	Формоустойчивость	14,2	13,3	13,5	12,9	13,8	18,7	21,1
	Балловая оценка, балл	12,4	15,2	16,4	17,8	16,2	20,2	21,3

Заключение

Разработанная методика фрактографического анализа позволяет определять твердозерностьпо гранулометрическим характеристикам размола зерна (муки). Определена точность такой оценки по степени сходимости результатов с данными, полученными прямым способов (микротвердостью). В зависимости от методики лабораторного помола погрешность определениятвердозерности составляет от 2,4 до 3,8 %, для ситового анализа погрешность составляет от 4,0 до 8,2 %. Твердозерность позволяет прогнозировать хлебопекарные достоинств зернового сырья. Запатентованы методы оценки качеств хлеба из зернового сырья компьютерным зрением и фрактографическим способом (погрешность определения выхода хлеба –не более 11,8 %, балльной оценки –21,2 %).

Конфликт интересов  Не указан.

Conflict of Interest  None declared.