Необходимость и возможность автоматизации электроконтактной выпечки хлеба

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет»

Необходимость и возможность автоматизации электроконтактной выпечки хлеба

Краснова М.С., Попов В.П.,

Сидоренко Г.А., Ханина Т.В.

В условиях современного общества актуальным является автоматизация технологических процессов производства продуктов питания, обеспечивающая высокое качество готовых изделий.

Выпечка является заключительной стадией приготовления хлеба, окончательно формирующей его качество, что обуславливает необходимость её оптимизации и автоматизации.

Электроконтактная (ЭК) выпечка является одним из наиболее интенсивных способов прогрева тестовой заготовки, позволяющая минимизировать потерю полезных свойств сырья и получить бескорковый хлеб повышенной пищевой ценности.

При ЭК-способе выпечки расстоявшаяся тестовая заготовка помещается между двумя пластинами из нержавеющей стали, являющимися электродами, включаемыми на время выпечки в сеть переменного тока. При прохождении электрического тока тестовая заготовка быстро и равномерно прогревается и переходит в состояние мякиша хлеба. Процесс ЭК-выпечки завершается при достижении мякишем температуры около 100⁰ С, при этом традиционной корки не образуется. Отсутствие традиционной корки повышает пищевую ценность хлеба за счет снижения активности реакции меланоидинообразования, содержания продуктов полимеризации жиров, окисных веществ, полициклических ароматических углеводородов (в том числе канцерогена - бенз-б-пирена), неусваиваемых организмом соединений, которые могут вызвать механическое раздражение стенок желудка, неблагоприятно сказывающееся на состоянии желудочно-кишечного тракта человека [1-4].

Более низкое температурное воздействие при ЭК-выпечке приводит к большей сохранности витаминов в готовом хлебе [5].

Кроме того ЭК-выпечка, является самым предпочтительным способом выпечки при разработке технологий диабетических сортов хлебобулочных изделий, позволяющих снизить скорости расщепления углеводов хлеба в организме человека [6].

Значительный вклад в изучение особенностей ЭК-выпечки хлеба внесли выдающиеся отечественные и зарубежные ученые: Ауэрман Л.Я., Островский Я.Г., Гинзбург А.С., Baker J.C., Mize M.D. и др.

Однако до настоящего времени не решены вопросы автоматизации ЭК-выпечки и определения оптимальных её параметров.

В связи с этим, актуальным является создание автоматизированной системы управления, которая позволит поддерживать оптимальный режим ЭК-выпечки и обеспечит получение готового продукта высокого качества. Решение данной проблемы для ЭК-выпечки осложняется высокой интенсивностью данного процесса и недостаточной изученностью ее кинетики. электроконтактный выпечка хлеб тестовый

Для создания системы управления, обеспечивающей получение высококачественного готового продукта, необходимо исследовать теоретические и практические аспекты процесса ЭК-выпечки, выявить возмущающие, наблюдаемые, измеряемые, управляющие и управляемые параметры.

В процессе ЭК-выпечки в исходном сырье (в частности, в тесте) с различной рецептурой и, как следствие, реологическими характеристиками должны происходить целенаправленные коллоидные, биохимические, микробиологические и физико-химические процессы с целью его преобразования в готовый продукт с заданными показателями качества. Основным, определяющим все остальные процессы, является прогрев тестовой заготовки.

Следует отметить, что по изменению химического состава теста-хлеба можно судить об интенсивности биохимических процессов при ЭК-выпечке. Коллоидные процессы, обеспечивающие образование структуры выпекаемого изделия, в значительной степени обуславливают его пористость и объемный выход. Изменение интенсивности образования углекислого газа может характеризовать микробиологические процессы, протекающие в процессе ЭК-выпечки. Изучение изменения температуры, весового выхода выпекаемого изделия, давления в пекарной камере и силы тока позволяют оценить интенсивность прогрева, процессов испарения воды, спирта и других летучих веществ. Разрежение пекарной камеры задается исследователями (в данной работе использовалось разряжение 40 кПа), по сути, является управляющим параметром. Однако, при выделении углекислого газа и паров воды в процессе выпечки разрежение изменяется и по его приращению можно судить об интенсивности паро- и газоотделения.

Для установления механизма ЭК-выпечки хлеба нами была изучена ее кинетика, в частности изменение силы тока, температуры, пористости, объемного и весового выходов, химического состава (содержания белков, углеводов), интенсивности образования углекислого газа, а также давления в пекарной камере в зависимости от продолжительности выпечки [7,8].

Качество готового хлеба и процесс его выпечки в значительной степени зависят от свойств теста. В связи с этим была проведена серия предварительных экспериментов, позволившая определить оптимальные параметры приготовления теста, обеспечивающие получение бескоркового хлеба ЭК-выпечки хорошего качества.

Наилучшие показатели качества хлеба ЭК-выпечки достигались при внесении в тесто соли в количестве 0,65 %, сухих дрожжей - 2,0 %, массовой доле влаги в тесте - 50-56 % при безопарном способе тестоприготовления и продолжительности его созревания 185-200 мин, дозировке муки на одну тестовую заготовку - 250 г при площади электродов 1,5•10⁴ мм², расстоянии между ними 100 мм и подводимом напряжении 220 В.

Результаты предварительных экспериментов позволили также установить, что наибольшее влияние на процесс ЭК-выпечки и показатели качества готовых изделий оказывают: массовая доля влаги в тесте, степень разрежения пекарной камеры и объемное напряжение [7,8].

Изучение кинетики ЭК-выпечки и результаты предварительных экспериментов позволили разработать параметрическую схему процесса ЭК-выпечки, представленную на рисунке 1.

Рисунок 1. Параметрическая схема процесса ЭК-выпечки хлеба

В качестве возмущающих параметров в схеме использованы технологические отклонения (температуры и продолжительности расстойки, массовой доли рецептурных компонентов и т.п.), качество сырья и теста. В качестве наблюдаемых параметров использовались реологические характеристики, в качестве измеряемых - сила тока и температура теста-хлеба. В качестве управляемых параметров использовались экспертная оценка, пористость, кислотность, влажность, объемный и весовой выход хлеба, энергоемкость процесса.

В виду большого количества управляемых параметров была разработана комплексная характеристика качества хлеба, включающая все единичные показатели с соответствующими коэффициентами значимости. Пятибалльная шкала, использованная на первом этапе исследований, в ходе экспериментов была уточнена и трансформирована в десятибалльную шкалу перевода отдельных показателей в баллы комплексной характеристики качества хлеба. Комплексный показатель качества включает сумму баллов отдельных показателей качества умноженных на соответствующий коэффициент значимости: объемный выход на коэффициент 0,3; весовой выход - 0,1; пористость - 0,3; экспертная оценка - 0,2; кислотность - 0,02. Следует отметить, что для установления коэффициентов значимости отдельных показателей, входящих в состав комплексного показателя качества и для экспертной оценки готовых изделий была сформирована группа экспертов, являющихся специалистами в области хлебопечения и знающими особенности приготовления бескоркового хлеба ЭК-способом. Экспертная оценка проводилась методом ранжирования, а для определения суммарной характеристики каждый единичный показатель умножался на соответствующий коэффициент: вкус - 5; консистенция - 2; запах - 1,5; внешний вид - 1,5.

В качестве управляющих параметров процесса ЭК-выпечки использовались объемное напряжение, давление в пекарной камере, продолжительность выпечки и технологические параметры. Объемное напряжение с одной стороны связывает массу выпекаемой тестовой заготовки, расстояние между электродами и т. д. и подводимое напряжение с другой стороны. Изменение данного параметра можно характеризовать как:

- отношение напряжения к расстоянию между электродами;

- отношение напряжения к объему хлеба;

- отношение напряжения к массе тестовой заготовки;

- отношение напряжения к массе муки на одну тестовую заготовку.

Учитывая результаты проведенных ранее экспериментов, были построены зависимости комплексного показателя качества от данных факторов. В интервале изменения комплексного показателя качества от 7 до 9 баллов были определены коэффициенты корреляции. Установлено, что наиболее тесная связь наблюдается между комплексным показателем качества и параметром, характеризующим отношение напряжения к расстоянию между электродами.

На основе параметрической схемы по известным методикам [9] был составлен и реализован план трехфакторного эксперимента по установлению влияния объемного напряжения (отношение напряжения к расстоянию между электродами), массовой доли влаги в тесте и степени разрежения пекарной камеры на комплексный показатель качества, органолептические свойства - экспертную оценку и объемный выход хлеба. При этом массовая доля влаги в тесте варьировала в пределах от 48 до 56 %, объемное напряжение в пределах от 0,89 до 5,07 В/мм и степень разрежения пекарной камеры в пределах от 0 до 40 кПа.

По результатам эксперимента, при помощи программного средства, разработанного на факультете прикладной биотехнологии и инженерии Оренбургского государственного университета, получены уравнения регрессии второго порядка и проведена оптимизация ЭК-выпечки хлеба.

Уравнения регрессии:

для комплексного показателя качества хлеба ЭК-выпечки:

(1)

для экспертной оценки качества хлеба ЭК-выпечки:

(2)

для объемного выхода хлеба ЭК-выпечки:

(3)

где: ф - объемное напряжение;

M - массовая доля влаги в тесте;

р - степень разрежения пекарной камеры.

Величины ф, M, р даны в условных единицах.

Для перевода натуральных единиц в условные можно воспользоваться следующими уравнениями:

 (4)

(5)

(6)

Величины со штрихом натуральные,

где - массовая доля влаги в тесте, %;

- объемное напряжение, В/мм;

- степень разрежения пекарной камеры, кПа.

Плоскости отклика, отражающие зависимости комплексного показателя качества, экспертной оценки и объемного выхода хлеба от, объемного напряжения и степени разрежения пекарной камеры при массовой доле влаги в тесте 48 % представлены соответственно на рисунках 1 - 3.

Рисунок 1. Зависимость комплексного показателя качества хлеба ЭК-выпечки от объемного напряжения и степени разрежения пекарной камеры при массовой доли влаги в тесте 48 %

Из рисунка 1 видно, что максимальный комплексный показатель качества хлеба ЭК-выпечки (выше 8,4 баллов), достигается при степени разрежения пекарной камеры от 36 до 40 кПа (от 0,8 до 1 у.е.) и объемном напряжении от 3,00 до 5,07 В/мм (от 0,6 до 1 у.е.).

Рисунок 2. Зависимость экспертной оценки хлеба ЭК-выпечки от объемного напряжения и степени разрежения пекарной камеры при массовой доли влаги в тесте 48 %

Из рисунка 2 видно, что максимальная экспертная оценка хлеба ЭК-выпечки (выше 0,35), достигается при степени разрежения пекарной камеры от 39 до 40 кПа (от 0,95 до 1 у.е.) и объемном напряжении от 4,75 до 5,07 В/мм (от 0,95 до 1 у.е.).

Рисунок 3. Зависимость объемного выхода хлеба ЭК-выпечки от объемного напряжения и степени разрежения пекарной камеры при массовой доли влаги 48 %

Из рисунка 3 видно, что максимальный объемный выход хлеба ЭК-выпечки (выше 590 %), достигается при степени разрежения пекарной камеры от 38 до 40 кПа (от 0,9 до 1 у.е.) и объемном напряжении от 0,89 до 1,4 В/мм (от - 1 до - 0,9 у.е.).

Аналогичные плоскости отклика были построены для массовой доли влаги в тесте равной 50, 52, 54 и 56 %. Совокупный анализ полученных плоскостей позволил установить, что оптимальными являются объемное напряжение 4,86-5,07 В/мм (от 0,9 до 1 у.е), степень разрежения пекарной камеры 32-40 кПа (от 0,9 до 1 у.е), массовая доля влаги в тесте 54-56 % (от 0,9 до 1 у.е), при этом комплексный показатель качества хлеба ЭК-выпечки более 8 баллов, экспертная оценка хлеба ЭК-выпечки более 0,33, объемный выход хлеба ЭК-выпечки более 500 %.

Список литературы

1. Шевелева Г.И. Разработка способов повышения витаминной ценности хлебобулочных изделий. Дисс. канд. тех. наук. - М. - 1992 - 178 с.

2. Скурихин И.М., Нечаев А.П. Все о пище с точки зрения химика. - М.: Высшая школа, 1991. - 288 с.

3. Кретович В.Л., Токарева Р.Р. Проблемы пищевой полноценности хлеба. - М.: Наука, 1978. - 250 с.

4. Пономарева А.Н. Участие свободных аминокислот в реакции меланоидинообразования при изготовлении хлеба: Дис. канд. биол. наук.- М.: 1964. - 272 с.

5. Ауэрман Л.Я. Технология хлебопекарного производства. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. - 415 с.

6. Матвеева И.В., Утарова А.Г., Пучкова Л.И. и др. Новое направление в создании технологии диабетических сортов хлеба. Обзор. инф. Серия.: Хлебопекарная и макаронная промышленность. - М.: ЦНИИТЭИ Хлебопродуктов, 1991. - 44 с.

7. Сидоренко, Г.А. Исследование особенностей выпечки бескоркового хлеба на основе системного подхода / Г.А. Сидоренко, В.П. Попов, В.Л. Касперович // Вестник ОГУ. - 1999. - № 1. - С.81-86.

8. Сидоренко, Г.А. Разработка технологии производства хлеба с применением электроконтактного энергоподвода. Дисс. канд. технич. наук / Г.А. Сидоренко //М. - 2002. - 178с.

9. Грачев Ю.П., Плаксин Ю.Н. Математические методы планирования эксперимента. - М.: ДеЛи принт, 2005.

Размещено на Allbest.ru