Круговое горизонтальное перемешивание теста лучше, чем вертикальное

«Моделирование показало, что вертикальное перемешивание в спиральной тестомесильной машине, которая рассматривалась в этой работе, для теста хуже, чем горизонтальное радиальное». «В будущем эффективность перемешивания может быть улучшена за счет использования более изогнутого спирального рычага или двух спиральных рычагов, имитирующих ручное перемешивание»

Может ли физика помочь сделать хлеб лучше? Да, говорят исследователи из Мюнхенского технического университета в Германии. Их выводы, основанные на трехмерном моделировании замеса теста в промышленной тестомесильной машине показало, что круговое горизонтальное перемешивание теста оказывается лучше, чем вертикальное, и что устройство с сильно изогнутым спиральным плечом или двумя спиральными рукавами, имитирующими замешивание вручную, может сделать тесто насыщенным воздухом, хорошо впитывающим воду, а также придать ему необходимую эластичность.

Хлебное тесто содержит четыре основных ингредиента: муку, воду, соль и разрыхлитель, например дрожжи. Замес теста формирует глютеновую сетку в результате чего получается материал, который при деформации ведет себя как нечто среднее между вязкой жидкостью и упругим твердым телом. При замешивании в тесто также попадает воздух, что важно для его подъема в духовке.

Хлебное тесто необходимо замешивать в течение нужного времени и определенным образом, чтобы получить желаемую консистенцию. При излишнем замесе получается слишком плотное тесто, которое хуже впитывает воду и не поднимается при нагреве в печи. Недомес так же приводит к катастрофичным последствиям, поскольку при этом снижается способность теста удерживать драгоценные пузырьки воздуха.

Хотя люди пекут хлеб уже 8000 лет, точной информации о процессах, происходящих во время замешивания, и их влиянии на качество теста по-прежнему нет. Однако теперь с помощью трехмерного компьютерного моделирования перемешивания хлебного теста, в котором учитываются как его вязкие, так и упругие свойства, стало возможным изучить протекающие в нем процессы в промышленных условиях.

Для изучения вязкости теста была использована модифицированная модель Уайта - Мецнера, которая хорошо предсказывает реологическое (текучее) поведение вязкоупругих материалов при высоких скоростях сдвига и во всех измерениях.

Полученную модель они объединили с другой модифицированной моделью Берда - Карро, которая описывает поведение теста в широком диапазоне скоростей сдвига. С ее помощью нее можно изучить деформацию теста в зависимости от его вязкости.

Чтобы сделать результаты моделирования максимально реалистичными, модель соотнесли с компьютеризированной геометрией, основанной на размерах и структурах реальных промышленных тестомесильных машин. Исследователи провели эксперименты, направленные на создание реалистичных входных параметров модели, а также проверку прогнозируемых результатов.

Проверка результатов проводилась с использованием промышленной месильной машины, состоящей из вращающегося спирального рычага и неподвижного стержня. Чтобы предотвратить потерю влаги и испарение, готовое тесто было покрыто пластиковой пленкой и оставлено на 20 минут перед выполнением реологических и тензиометрических измерений.

Для измерения текучести теста был использован коммерческий реометр (Anton Paar MCR 502) при температуре 24 °C. Измерение поверхностного натяжения теста оказалось более трудновыполнимой задачей. Такие измерения нельзя было провести напрямую, потому что для этого необходима граница раздела жидкость-воздух. Чтобы решить эту проблему, на поверхность теста был помещен слой жидкого раствора соли и после этого было измерено поверхностное натяжение этого раствора, когда он диффундировал в жидкую фазу теста.

В результате моделирования были получены ценные сведения о процессах, происходящих внутри теста и на его поверхности, например о том, как воздух попадает в тесто, и как «карманы из теста» (комки) образуются и распадаются. Модель также воспроизвела макроскопическое поведение теста, которое исследователи смогли воспроизвести в последующих экспериментах. Например, эластичность теста позволяет ему преодолевать гравитационные и центробежные силы во время замеса, а это означает, что тесто вначале движется к вращающемуся стержню, прежде чем подняться по нему.

На последнем этапе исследователи сравнили результаты своего моделирования со снимками высокоскоростной видеокамеры, которая записывала процесс замеса теста в лаборатории. На этих кадрах они наблюдали движение теста вокруг внутреннего неподвижного стержня благодаря вращению внешней цилиндрической чаши. Они также наблюдали спиральные потоки теста, создаваемые спиральной месильной рукой, расположенной между неподвижным стержнем и дежой.

В своей статье, опубликованной в журнале Physics of Fluids [1], исследователи описывают, как их модель точно предсказывает экспериментально наблюдаемые значения кривизны спиральных структур потока. Исследователи также утверждают, что могут прогнозировать формирование, расширение и дробление тестовых комков с использованием свой разработанной математической модели.

«Моделирование показало, что вертикальное перемешивание в спиральной тестомесильной машине, которая рассматривалась в этой работе, для теста хуже, чем горизонтальное радиальное». «В будущем эффективность перемешивания может быть улучшена за счет использования более изогнутого спирального рычага или двух спиральных рычагов, имитирующих ручное перемешивание».

Ссылки:

1. https://doi.org/10.1063/1.5122261

Источник: Physics World