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
Написать комментарий
Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с политикой конфиденциальности