ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ОДНОРОДНЫХ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ СМЕСЕЙ С ЖИДКОЙ ФАЗОЙ В ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ХЛЕБА

Руднев С.Д.¹, Марков А.С.², Иванов В.В.³, Мещанинов А.В.⁴, Прилипко А.В.⁵

¹ORCID: 0000-0003-2506-6121, Доктор технических наук, «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности (университет)», ²Кандидат технических наук, «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности (университет)», ³заместитель генерального директора по техническому развитию, ООО "ИМПЕРИЯМОКС", Кемерово, ⁴аспирант, «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», ⁵магистрант, «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности (университет)»

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ОДНОРОДНЫХ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ СМЕСЕЙ С ЖИДКОЙ ФАЗОЙ В ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ХЛЕБА

Аннотация

Статья посвящена изучению влияния механоактивации воды и ее слабых растворов с крахмалом и клейковиной на процесс смешивания с мукой, формирования структуры и реологических характеристик теста и выпеченного хлеба. Проведен анализ экспериментальных данных и сделаны предположения об использовании механоактивации жидких компонентов в технологических процессах производства хлебобулочных изделий. По результатам проведенных экспериментов видно, что удельная работа и время замеса теста с использованием механоактивированных жидких компонентов можно сократить не менее чем в два раза. Таким образом, предварительно затратив энергию на механоактивацию воды и растворов, получаем двойную экономию при замесе теста. Использование механоактивации вносит значительные изменения в качество готовой продукции. Так, применение активной воды целесообразно в производстве таких изделий, как «Батон нарезной», главным качеством которых является высокая упругость и мелкопористость. Применение такого способа подготовки жидких компонентов к производству позволит сократить количество технологических процессов структурообразования и, соответственно – оборудования. Это позволит получить сокращение производственных площадей, себестоимости, но сохранить качество готовых изделий. Применение слабых механоактивированных растворов клейковины и крахмала позволит улучшить качество хлеба.

Ключевые слова: смешивание, вода, слабые растворы, крахмал, клейковина, тесто, хлеб.

Rudnev S.D.¹, Markov A.S.², Ivanov V.V.³, Meshchaninov A.V.⁴, Prilipko A.V.⁵

¹ORCID: 0000-0003-2506-6121, PhD in Engineering, “Kemerovo Institute of Food Science and Technology (University)”, ²PhD in Engineering, “Kemerovo Institute of Food Science and Technology (University)”, ³Deputy Director General for Technical Development, OOO “IMPERIAMOKS,” Kemerovo, ⁴Postgraduate Student, “National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, St. Petersburg”, ⁵Graduate Student, “Kemerovo Institute of Food Science and Technology (University)”

INTENSIFICATION OF THE PROCESS OF OBTAINING HOMOGENEOUS HIGH-CONCENTRATED MIXTURES WITH THE LIQUID PHASE IN THE TECHNOLOGY OF BREAD PRODUCTION

Abstract

The following article is devoted to the study of the water mechanical activation effect and its diluted solutions with starch and gluten on the process of mixing with flour, the formation of the structure and rheological characteristics of dough and baked bread. We conducted the analysis of the experimental data and assumptions related to the use of mechanical activation of liquid components in the technological processes of the bakery production. Based on the results of the experiments, it was determined that specific work and kneading time can be reduced by at least two times with the help of mechanically activated liquid components. Thus, having previously expended energy for mechanical activation of water and solutions, we obtain a double economy when kneading dough. The use of mechanic activation makes significant changes in the quality of finished products. So, the use of active water is advisable in the production of such products as “Cut Long Loaf,” the main quality of which is its high elasticity and fine-porosity. The use of such a method of preparing liquid components for production will reduce the number of technological processes of structure formation and, accordingly, of equipment. This will enable the reduction of the production space and cost while keeping the quality of finished products. The use of diluted mechanically activated solutions of gluten and starch will improve the quality of bread.

Keywords: mixing, water, diluted solutions, starch, gluten, dough, bread.

Однородными считаются смеси, в каждом единичном объёме которых соотношение и взаимное расположение компонентов одинаково. Получение высококонцентрированных однородных смесей механическим соединением воды (или ее растворов) с сухими тонкодиспергированными компонентами всегда представляет сложную технологическую задачу. Проблема возникает немедленно при возникновении контакта частиц размером менее 100 мкм с жидкостью.

 На первом этапе – это энергетический барьер, связанный с преодолением сил поверхностного натяжения жидкости при взаимодействии с сыпучей средой, обладающей высокоразвитой удельной поверхностью, которая может достигать от нескольких десятков до нескольких тысяч м²/м³. По некоторым сведениям, объем смеси на начальном этапе может превышать получаемый впоследствии на 20% за счет менисков, образующихся вокруг частиц.

На втором этапе развивающиеся коллоидные процессы, диффузия влаги внутрь частиц, физико-химические превращения, возникающие при взаимодействии молекул воды и некоторых компонентов вещества сыпучей среды, резко увеличивают сопротивляемость смеси сдвиговым деформациям, что создает трудности для достижения однородности смеси и увеличивает энергозатраты.

На третьем этапе, как правило, в полученной смеси формируется структура нового материала, резко отличающегося от исходных компонентов, что обусловлено сначала высокоразвитой когезией, а затем в гомогенизированном интенсивной сдвиговой деформацией материале возникает макроструктура в виде каркасных образований, проявляется упругость. Если однородная смесь не получена, продолжают механическое воздействие на дисперсную систему, что приводит к разрушению образовавшейся структуры.

Проанализируем процесс с позиций одного из фундаментальных законов термодинамики – выражения Гельмгольца [1] для свободной энергии системы с постоянным числом частиц с позиции вышеописанных трансформаций в дисперсной системе с фазовым превращением:

   (1)

где ΔF - свободная энергия, Дж; σ - удельная поверхностная энергия вещества, Дж/м²; ΔS – приращение поверхности взаимодействия фаз, м²; ΔU - изменение полной энергии системы, Дж;  Т – абсолютная температура, К;   – энтропия системы, Дж/К.

На первом этапе поверхность взаимодействия двух фаз весьма высока, что обусловлено большой удельной поверхностью взаимодействия фаз. Энтропия дисперсной системы на первом этапе максимальна. В то же время, с позиции механики система обладает большой подвижностью, частицы еще способны перемещаться относительно друг друга благодаря прослойкам жидкой фазы между ними [2]. Затем, когда преодолеваются силы поверхностного натяжения в контактах частиц и жидкости, энтропия уменьшается и поверхностное когезионное взаимодействие частиц трансформируется во внутреннюю энергию вязкоупругой деформации:

  (2)

где τ – напряжения сдвига, зависящие от скорости деформации и мгновенного состояния среды, Па; G – модуль упругости при сдвиге, изменяющийся во времени.

Причем параметры такого сдвигового течения постоянно меняются.

Отсюда проясняется суть проблемы: достижение однородной смеси необходимо осуществлять на первой стадии взаимодействия фаз в системе, когда сопротивляемость смеси обусловлена вязкостью сдвигового течения жидкости в прослойках между частицами. Для этого необходимо максимально ускорить процесс преодоления сил поверхностного натяжения жидкости.

Проблема интенсификации смешивания высококонцентрированных систем с жидкой фазой решалась разными путями. На дисперсную систему воздействовали вибрацией [1]. Как правило, вибросмешивание снижает энергозатраты на втором этапе процесса, когда формируется когезионная структура в материале. Но на первом этапе вибровоздействие малоэффективно, так как среда еще не обладает упругостью. Другим способом является внесение в жидкость поверхностно активных веществ в малых количествах. Этот способ эффективен на первом этапе, однако есть ограничения в допустимости применения ПАВ или доступности применения, в первую очередь – ценовой.

Авторами статьи предпринята попытка интенсификации процесса получения однородной смеси предварительным механоактивированием компонентов.

Механоактивированное состояние твердой фазы – сыпучего материала – наблюдается сразу же после его получения в результате измельчения, когда в частицах велики еще остаточные напряжения, поверхность насыщена некомпенсированными межмолекулярными связями [3]. Либо же сыпучую среду подвергают внешнему силовому воздействию, опять же – в дробилках или измельчителях. Первый способ требует немедленного применения сыпучего материала в массообменном процессе соединением с жидкими компонентами, что не всегда удобно технологически. Второй способ энергозатратен и требует капиталовложений.

Механоактивация воды или ее растворов, поступающих на смешивание, представляется более перспективной. И здесь нельзя не напомнить об уникальности воды как вещества. Известны аномальные свойства воды. В воде существуют стабильные кластеры (жидкие кристаллы), которые несут в себе очень большую энергию, обусловленную межмолекулярными водородными связями. Кластеры по модели Зенина [4] состоят из 912 молекул воды, которые практически не способны к взаимодействию за счет образования водородных связей.  Таким образом, водная среда представляет собой как бы иерархически организованный жидкий кристалл. Такая структура энергетически выгодна и разрушается с освобождением свободных молекул воды лишь при высоких концентрациях спиртов и подобных им растворителей. Однако же, использование растворителей, как правило, нежелательно, когда необходимо сохранить состав продукта. Значит, жидкие кристаллы воды нужно разрушать механически, высвобождая водородные связи. Исследователями [5] проводилась обработка дистиллированной воды в механоактиваторе при частоте вращения ротора в пределах от 2400 до 3600 об/мин. Сразу после обработки проводился контрольный химический анализ воды в аккредитированной центральной химической лаборатории, где определялась рН. Контрольные пробы брали при активации в течение 1 и 5 минут, при разных скоростях вращения ротора. Эксперименты показали, что при механической активации дистиллированной воды повышается её рН. Следовательно, энтропия воды как системы повышается, возникают некомпенсированные водородные связи, которые могут проявлять себя в процессах поверхностного взаимодействия, а именно – смачивания частиц тонкодисперсных материалов, например, муки хлебопекарной.

Целью исследования было поставлено изучение влияния механоактивации сырья на процесс замеса теста и качество хлеба. Была поставлена задача исследовать влияние предварительной обработки сырья на процесс производства и качество хлеба.

В экспериментах готовили хлеб из пшеничной муки однофзным способом, соответствующий ГОСТ 27842-88 «Хлеб из пше­ничной муки. Технические условия».

При проведении экспериментов использовали хлебопекарную пшеничную муку высшего сорта с содержанием клейковины 30,3%, удовлетворительно слабую по качеству (82,5 ус. ед. приб. ИДК), крахмал картофельный, сухую пшеничную клейковину.

Предварительную механоактивацию воды и ее слабых растворов осуществляли в экспериментальном роторно-пульсационном аппарате (РПА).

Механическую обработку растворов проводили следующим образом: в РПА подавали воду, которую активировали в течение 2 минут, затем дозированно вносили сыпучие компоненты и обрабатывали еще 4 минуты в замкнутом контуре.

Удельную мощность на замес теста определяли на бытовом тестомесе с емкостью чаши до 5 литров и установленной мощностью 1,8 КВт.

Предельное напряжение сдвига теста определялось коническим пластометром Ребиндера.

Брожение проводилось при темпертуре 30-32⁰ С в течении 120 минут. Расстойка осуществлялась в шкафу для окончательной расстойки при температуре 30 - 32⁰ С и относительной влажности воздуха 70 - 80 %.

Хлеб выпекали в форме №12 по ГОСТ 17327-95 «Формы хлебопекарные. Технические условия».

Исследование хлеба проводили по ГОСТ 27669-88 «Мука пшеничная хлебопекарная. Метод пробной лабораторной выпечки хлеба» (с Изменениями N 1, 2).

Объём хлеба определялся в ёмкости, которую заполняли зерном пшена, избыток ссыпали, сгребая ребром линейки в сосуд, и удаляли, ёмкость опрокидывали. Небольшое количество зерна высыпали в ёмкость. На него кладут пробу и засыпают. Избыток ссыпался в ёмкость, открывалась задвижка течки в мерный цилиндр. Объём зерна в цилиндре равен испытуемой пробе хлеба [6].

Удельный объем Х, см³/100г, находили по формуле:

   (3)

где V – объём хлеба, см³; m – масса остывшего изделия, г.

Деформацию мякиша хлеба определяли следующим образом: из мякиша изделия делается выемка цилиндрической формы диаметром 35 мм и высотой 55 мм, в цилиндр с хлебной выемкой помещается поршень, на который воздействовали гирькой массой 0,5 кг). Сжимаемость хлебного мякиша определяли по его высоте до и после воздействия нагрузки.

Сжимаемость мякиша Х, мм, находили по формуле:

   (4)

где h₀ - высота образца до воздействия нагрузки, мм;

h₁-высота образца после воздействия нагрузки, мм.

Исследование процесса замеса теста подтвердил теоретические предположения о влиянии механоактивации воды на ее взаимодействие с частицами сыпучей тонкодисперсной среды при смачивании. Результаты экспериментов в виде графиков представлены на рисунке 1. Анализ графиков затрат удельной мощности при замесе теста показывает, что имеются существенные отличия при замесе. Если удельная мощность для контрольного образца за первые 10 секунд достигла 10 Вт/кг, то для смеси муки с активированной водой она составила величину в 5 раз меньшую, а для слабых растворов клейковины и крахмала была ниже на 40 и 60 %. Структурообразование в тесте интенсивнее протекало в смеси муки и слабого раствора клейковины и при замесе была получена структура более чем в 2,5 раза прочная, чем для контрольного образца.

Рис. 1 – Зависимости удельной мощности на замес теста при использовании активированной воды, 3% раствора клейковины и 3% раствора крахмала

 

В целом для всех смесей с механоактивированными жидкостями прочность структуры получаемого теста превысила контрольный в 1,5 – 2,5 раза. При этом из анализа графиков можно сделать вывод о том, что время замеса такого теста можно сократить не менее чем в два раза. Таким образом, предварительно затратив энергию на механоактивацию воды и растворов, получаем двойную экономию при замесе теста. При этом исследования по механоактивации в РПА еще не окончательны и требуют уточнения по времени протекания процесса и энергозатратам. Но явно прослеживается тенденция к возможности их сокращения.

Следующим этапом исследований было выявление отличий полученного различными способами теста. Объективную информацию о физико-механических свойствах упруго-вязко-пластичного тела можно получить с помощью реологических приборов. Результаты испытаний на коническом пластометре Ребиндера представлены в таблице 1. При расчете предельных напряжений сдвига использовали коэффициент, зависящий от угла конуса, полученный В.А. Аретом [7].

 

Таблица 1 – Анализ теста пшеничного из муки высшего сорта

Анализ результатов показывают, что при угле конуса 60⁰ предельные напряжения сдвига (ПНС) для контрольных образцов несколько выше, чем для теста, полученного на смеси с активированной водой. Но при испытаниях конусом 90⁰ ПНС контрольных ниже. Значительно превышают ПНС теста с добавкой клейковины.

Далее проводили выпечку хлеба по стандартной технологии, представленной в [6]. Результаты представлены в обобщенной таблице 2.

Рассмотрим, как изменяется качество хлеба в зависимости от качества проведенного процесса смесеприготовления по отдельным показателям.

 

Таблица 2 – Результаты испытаний образцов хлеба

Рис. 2 – Пористость хлеба пшеничного: 1 – контрольный образец; 2 – пористость хлеба, приготовленного с активированной водой; 3 – пористость хлеба, приготовленного на растворе 3 % клейковины пшеничной; 4 – пористость хлеба, приготовленного на растворе 3 % крахмала картофельного

 

Важнейшим показателем качества хлеба является его пористость. На диаграмме (рисунок 2) представлены результаты определения пористости образцов. Из диаграммы видно, что добавление клейковины и крахмала пористость увеличивает, что является положительным эффектом для формовых сортов хлеба. Хлеб, приготовленный на механоактивированной воде, обладает меньшей пористостью, такое качество мякиша характерно для батонов. Определение удельного объёма образцов показало адекватный пористости результат. Наименьшим удельным объёмом обладает хлеб, выпеченный из смеси муки с механоактивированной водой.

Рис. 3 – Удельный объем хлеба пшеничного, % 1 – Удельный объем контрольного образца; 2 – удельный объем хлеба, приготовленного с активированной водой; 3 – удельный объем хлеба, приготовленного на растворе 3 % клейковины; 4 – удельный объем хлеба, приготовленного на растворе 3 % крахмала

 

Испытания пластической и упругой деформацией хлеба пшеничного проводили пенетрационным методом на структурометре СТ-1М по стандартной для испытания хлебных образцов  методике, которая относится к общепринятым (нестандартным). Методика основана на определении общей, пластической и упругой деформаций изделия при воздействии на него тела пенетрации. В качестве тела пенетрации использовалась насадка «Поршень Ø34,8» . Задавалось максимальное усилие, до которого будет происходить нагружение образца при движении столика вверх, которое со­ставляло 4 Н и 8 H. После того, как воздействие на тело погружения достигало заданного значения, фиксировалась величина глубины перемещения, столик начинал возвращаться в свое исходное положение. На экран выводилось значение перемещения, соответствующее заданному усилию воздействия, а также перемещение до момента снятия воздействия на тело погружения. Результаты определения пластической и упругой деформации хлеба пшеничного представлены в таблице 3.

Для анализа таблицы 3 ее содержание отражено на диаграмме (рисунок 4). Явно проявляется высокая упругость мякиша образцов с механоактивированными растворами, их величина деформации заданной нагрузкой примерно в два раза меньше, чем у контрольных образцов.

 

Таблица 3 - Результаты определения структурно-механических свойств хлеба пшеничного

Рис. 4 – Структурно-механические характеристики хлеба пшеничного, %

Выводы

По результатам проведенных экспериментов видно, что удельная работа и время замеса теста с использованием механоактивированных жидких компонентов можно сократить не менее чем в два раза. Таким образом, предварительно затратив энергию на механоактивацию воды и растворов, получаем двойную экономию при замесе теста. Использование механоактивации вносит значительные изменения в качество готовой продукции. Так, применение активной воды целесообразно в производстве таких изделий, как «Батон нарезной», главным качеством которых является высокая упругость и мелкопористость. Применение такого способа подготовки жидких компонентов к производству позволит сократить количество технологических процессов структурообразования и, соответственно – оборудования. Это позволит получить сокращение производственных площадей, себестоимости, но сохранить качество готовых изделий. Применение слабых механоактивированных растворов клейковины и крахмала позволит улучшить качество хлеба.

Список литературы / References

1. Федоренко И. Я. Оптимизация параметров процесса вибросмешивания в смесителе с гибким рабочим органом / И. Я. Федоренко, Р. А. Котов // Вестник АГАУ. – 2015. – №4 (126). – С. 106-109.
2. Попов А. М. Физико-химические основы технологий полидисперсных гранулированных продуктов питания / А.М. Попов. – Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2002. – 324 с.
3. Каченюк М.Н., Сметкин А.А. Эволюция структуры композиционных частиц при механоактивации порошковых смесей на основе титана, карбида кремния и углерода / М.Н. Каченюк, А.А. Сметкин // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6.; URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=15969 (дата обращения: 12.04.2017).
4. Зенин С.В. Исследование структуры воды методом протонного магнитного резонанса // Докл. РАН. – 1993. – т. 332 – № 3. – с. 328.
5. Ерофеев В.Т. Исследование свойств цементных композитов на активированной воде затворения / В.Т. Ерофеев, Фомичев В.Т., Емельянов Д.В/ и др. / Фундаментальные исследования. – 2015. – № 2-6. – С. 1175-1181.
6. ГОСТ 27669-88 Мука пшеничная хлебопекарная. Метод пробной лабораторной выпечки хлеба (с Изменениями N 1, 2) – Введ. 1989-07-01. – М.: Стандартинформ, 2007.
7. Арет В.А. Физико – механические свойства сырья и готовой продукции: учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 260100 (552400) «Технология продуктов питания» / В.А. Арет, Б.Л. Николаев, Л.К. Николаев. – СПб.: ГИОРД, 2009. 448 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Fedorenko I. Ya., Kotov, R. A. Optimizatsiya parametrov processa vibrosmeshivaniya v smesitele s gibkim rabochim organom [Optimization of process parameters vibromassage in mixer with flexible working body / Ivan Y. Fedorenko, Roman Kotov // Bulletin of Altai state agrarian University.] 2015. No. 4 (126) Pp. 106-109. . [in Russian]
2. Popov A. M. Fiziko - himicheskie osnovy tehnologii polidispersnyh granulirovannyh produktov pitaniya [Physico-chemical bases of technology of polydisperse granular food // A. M. Popov. – Novosibirsk: Sib. Univ. publishing house] – 2002. – 324с. [in Russian]
3. Kachenyuk, M. N., Smetkin A. A. Evolyutsya struktury kompozicionnyh chastits pri mehanoaktivacii poroshkovyh smesei na osnove titana, karbida kremniya i ugleroda [Evolution of structures of composite particles by mechanical activation of powder mixtures based on titanium, silicon carbide and carbon // Modern problems of science and education.] – 2014. No. 6; URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=15969 (date accessed: 12.04.2017) . [in Russian]
4. Zenin S.V. Issledovanie struktury vody metodom protonnogo magnitnogo rezonansa [Study of the structure of the water proton magnetic resonance method//Rep. RUSSIAN ACADEMY of SCIENCES. -1993. -t. 332-No. 3. -p. 328.] [in Russian]
5. Yerofeyev V.T. Issledovanie svojstv tsementnyh kompozitov na aktivirovannoi vode zatvoreniya [Investigation of properties of cement composites on activated water mixing/V. Erofeev, Fomichev, Emelyanov V. d./etc. /Fundamental research.]– 2015. – № 2-6. – С. 1175-1181. [in Russian]
6. GOST 27669-88 Muka pshenichnaya hlebopekarnaya. Metod probnoj laboratornoj vypechki hleba (s Izmeneniyami ) [Wheat Flour. Method of test laboratory baking bread (with Amendments No. 1, 2) . [in Russian]
7. Aret V. A., Nikolayev B. L., Nikolayev L. K. Fiziko – mehanicheskie svojstva syrya i gotovoj produktsii: uchebnoe posobie dlya studentov vysshih uchebnih zavedenij, obuchayushcihsya po napravleniyu 260100 (552400) «Tehnologiya produktov pitaniya» [Physical and mechanical properties of raw materials and finished products: a manual] / V. A. aret, Nikolaev B. L., Nikolaev L. K. // SPb.: GIORD, 2009. 448 p. [in Russian]