Определение силы муки по реологическим свойствам теста

Сила пшеничной муки характеризуе I ее способность образовывать тесто, обладающее определенными реологическими свойствами. Исхо­дя из этого, методы определения реологических свойств теста одновре­менно являются и методами определения силы муки.

Реологические свойства теста. Тесто является оводнеииым кол­лоидным комплексом — полидисперсоидом, обладающим определен­ной внутренней структурой и весьма своеобразными непрерывно изме­няющимися реологическими свойствами.

В зависимости от вида деформации, ее скорости и длительности те­сто может вести себя то как идеально упругое тело, то как вязкое, то как сочетающее эти свойства, т. е. относящееся к упруго-вязким материа­лам.

В тесте сочетаются такие свойства, как упругость, пластичность, прочность, вязкость, способность к релаксации напряжений и упругому последействию. Реологические свойства теста зависят от таких факто­ров, как температура, влажность, продолжительность и интенсивность механического воздействия на тесто, рецептура, способ приготовления и длительность брожения теста, хлебопекарные свойства и в первую очередь сила муки и др.

Приготовление теста и его переработка сопровождается сложными физико-химическими, биохимическими, микробиологическими и ме­ханическими процессами, влияющими па его реологические свойства. Поэтому исследование реологических свойств полуфабрикатов и про­дуктов хлебопекарного производства представляет большой не только научный, но и практический интерес.

Значительную роль в развитии теории и методов исследования ре­ологических свойств разных продуктов и материалов сыграли работы П. А. Ребипдера и его школы, М. П. Воларовича и ряда других исследо­вателей.

На основе представлений, развивавшихся П. А. Ребиндером и его школой, реологические свойства теста могут быть охарактеризованы кривыми деформации теста во времени при постоянном напряжении. Кривые кинетики деформации получают в период приложения нагруз­ки и после ее снятия.

Для получения таких кривых деформации теста могут быть использованы: прибор Бойлера-Ребиндера. работающий по принципу тангенциального смещения пластинки в исследуемом продукте; приборы Шведова и Воларовича с коаксиаль­ными цилиндрами, из которых внутренний поворачивается в исследуемом продук­те; прибор Толстого, несколько видоизмененный Николаевым, на котором чистый сдвиг осуществляется в слое теста между плоскопараллельными твердыми поверх­ностями в отсутствие пристенного скольжения.

P>Pe

P>P_k

Рис. 5. Кривые кинетики деформации сдвига при постоянной величине Р

Для материалов, обладающих комплексом реологических свойств, в зависимо­сти от приложенного постоянного напряжения (Р) возможны три типа кривых кине­тики деформации, изображенные па рис. 5.

1. При Р < Р_е (Р_е — нижний предел упругости) может быть получена кри­вая кинетики деформации типа, изображенного на рис. 5, а. В этих условиях дефор­мации исследуемый материал ведет себя как идеально упругое тело.

Деформация ε₀, условно-мгновенно (практически за 0,5-1 с) достигнутая в мо­мент τ₀, является чисто упругой деформацией, сохраняющейся постоянной во все время приложения напряжения.

В момент снятия напряжения т, вся упругая деформация полностью исчезает.

Однако для структурированных высокомолекулярных систем, какой является тесто, значения Р_е весьма малы и близки к нулю. Поэтому кривая кинетики дефор­мации типа, изображенного на рис. 5, а, для теста практически вряд ли может быть получена.

2. При Р > Р_е< Р_k (Р_k — предел текучести данного материала) кривая кине­тики деформации будет иметь вид, изображенный на рис. 5, б.

При этих условиях исследуемый материал испытывает условно-мгновенную упругую деформацию е₀. Затем начинается период упругого последействия, в кото­ром деформация нарастает до некоторого предела е_m и далее сохраняет свое значение неизменным до момента снятия приложенного напряжения.

Упругое последействие обусловлено неоднородностью материала по его струк­туре и составу, в связи с чем упругие деформации развиваются в разных частях мате­риала с различным замедлением. Упругое последействие характерно для эластич­ных или упруговязких материалов.

В момент снятия приложенного напряжения т, практически мгновенно спада­ет условно-мгновенная упругая деформация и затем постепенно с затухающей ско­ростью спадает и деформация упругого последействия (ε_m –ε₀ ).

Как видим, при этом режиме испытания все виды деформации являются упру­гими и полностью обратимыми.

3. При Р > Р_k кривая кинетики деформации будет иметь вид, изображен­ный на рис. 5, в.

В момент τ₀ происходит условно-мгновенная упругая деформация е₀. Однако в связи с тем что Р > Р_k, дальнейший ход кривой кинетики деформации при постоян­ном значении Р отражает не только эластичную деформацию упругою последейст­вия, но и постепенно нарастающую остаточную, необратимую деформацию. На этом участке кривой скорость развития деформации во времени стремится к наименьше­му, постоянному для данного материала при данном режиме испытания значению скорости развития остаточной деформации ( dε/dτ)_ост.

С момента достижения этого значения скорости деформации происходит уже только остаточная деформация. Исследуемый материал переходит в состояние ста­ционарного течения.

Общая упругоэластичная деформация характеризуется на оси ординат отрез­ком ε_m отсекаемым пунктирным продолжением прямой части этого участка кривой. Угол α. наклона этого прямого участка кривой остается постоянным независимо от длительности опыта. Отрезок ε_m-ε₀ на оси ординат характеризует величину элас­тичной деформации упругого последействия.

При снятии в момент τ₁, приложенного напряжения практически мгновенно спадает условно-мгновенная деформация ε₀ и затем постепенно со все падающей скоростью, спадает эластичная деформация упругого последействия. Однако вслед­ствие имевших место при испытании материала остаточных необратимых деформа­ций после прекращения обратной (разгрузочной) деформации наблюдается оста­точная деформация ε_ост. Остаточная (после разгрузки системы) деформация может быть определена по формуле

ε_ост = τ₁ (dε/dτ)

Для характеристики реологических свойств теста и подобных ему материалов могут быть использованы в качестве вариантных показателей:

1) модуль мгновенной упругости Е₁, определяемый по формуле

Е₁ = Р/ε_о

 

2) модуль упругого последействия (модуль эластичности) Е₂, определяе­мый по формуле

Е₂ = Р/( ε _т - ε_о);

3) релаксационная вязкость η_1, представляющая собой вязкость в условиях
течения, возникающего при Р> Р_к определяемая по формуле

η₁= Р- Р_к ( dε/dτ)_ост

4) условная вязкость упругого последействия η₂, определяемая при Р ^> Р_е и Р_к по формуле

η₂ = (Р- Р_е)/ ( dε/dτ)_о

где ( dε/dτ)_о равно начальной, наибольшей скорости развития эластичной деформа­ции упругого последействия; при Р> Р_к

η₂ =

 

5) нижний предел упругости Р_е;

6) предел текучести Р_k.

Более детально основы реологии пищевых продуктов изложены в специальных руководствах [16].

В последние годы в реологии пищевых продуктов все больше вни­мания стали уделять их текстуре.

Под текстурой пищевого продукта понимают те его свойства, ко­торые человек органолептически ощущает при прикосновении к про­дукту или его ощупывании и в процессе употребления его в пищу — от­кусывании, разжевывании и проглатывании.

Одной из задач реологии пищевых продуктов является установле­ние зависимости между характером и интенсивностью органолептически воспринимаемых ощущений текстуры продукта и его чисто реоло­гическими инструментально определяемыми свойствами, а также и с его макро- и микроструктурой.

Применительно к хлебопекарному производству существенную роль текстура может играть при органолептической оценке состояния и реологических свойств полуфабрикатов (опары, теста и др.), особенно при определении качества и состояния готовой продукции (хлеба, бу­лочных и других видов изделий), что будет рассмотрено в гл. XIV.

Методы определения в производственных лабораториях силы муки по реологическим свойствам теста. В производственных лабора­ториях хлебопекарной промышленности для определения силы пше­ничной муки по реологическим свойствам теста из нее могут быть при­менены ниже описываемые методы.

Определение силы муки по расплываемости шарика теста. Этот ме­тод был разработан в МТИППе в 1937 г. Определяется расплываемость шарика из 100 г теста заданной влажности при 30 °С за 60,120и 180 мин. При этом фиксируются численные значения среднего диаметра конту­ра шарика теста (в мм): начального (D₀), через 60 мин (D₆₀), через 120 мин (D₁₂₀) и через 180 мин (D₁₈₀). Численные значения этих показате­лей выражаются в мм. Чем сильнее мука, тем соответственно ниже их численные значения.

Для текущего производственного контроля вполне достаточно определение D₀ и D₆₀ шарика теста. Описание методики определения дано в лабораторном практикуме [27, работа 9].

Определение силы муки по консистенции теста. Для объективного определения консистенции теста применяют специальные приборы — консистометры (пенетрометры). С помощью этих приборов определя­ют консистенцию теста но глубине погружения (пенетрации) в него тела погружения определенной формы, за определенное время и под определенной нагрузкой (Р_о6щ) системы погружения. В МТИППе еще в

1936 г. был разработан метод определения консистенции теста па кон­систометре погружения, изготовлявшемся заводом МОСКИП.

Готовили тесто с влажностью, постоянной для каждого сорта муки, и темпера­турой 30 °С. Замешенное тесто в течение 60 мин подвергалось автолизу при той же температуре. Затем определяли глубину пенетрации тела погружения прибора в тес­то, выражавшуюся в ед. шкалы прибора. Этот показатель обозначили К₆₀ теста. Чис­ленное значение К₆₀ теста было тем больше, чем слабее была мука, и тем меньше, чем она была сильнее.

В последующие годы нами была разработана и методика определе­ния К₆₀ теста на современных автоматизированных пенетрометрах (АП-4/1,АП-4/2идр.).

В данной методике мы приняли проведение автолиза теста в тече­ние 60 мин не при 30, а при 35 °С. Это повысило степень дифференциа­ции величин К₆₀ теста для проб пшеничной муки, различных по силе. Детальное описание методики дано в лабораторном практикуме [27, ра­бота 8].

Определение силы муки на фаринографе. Фарипограф, производи­мый фирмой «Брабендер», применяется в мукомольной и хлебопекар­ной промышленности многих стран.

Основными частями фаринографа (рис. 6, а) являются: месилка /; электродви­гатель-динамометр 2; стойки 3 электродвигателя-динамометра; система рычагов 4, соединяющая корпус электродвигателя-динамометра с указывающим и самопишу­щим устройствами; масляный амортизатор 5; указывающее устройство б; самопи­шущее устройство 7; водяной термостат 8, в котором температура воды на заданном уровне поддерживается автоматически. Термостат снабжен центробежным насосом, прогоняющим воду по резиновым трубкам между двойными стенками месилки и масляного амортизатора 5 в направлении, указанном на схеме стрелками. Для изме­рения количества воды, заливаемой в месилку, служит бюретка 9.

Порядок работы и принцип действия фаринографа таковы. В корытце месилки 1 засыпают отвешенное количество муки, а из бюретки 9 вливают необходимое ко­личество воды. Количество доливаемой воды определяется во время пробного заме­са и должно обеспечить получение теста с заданным уровнем максимума консистен­ции. Тестомесилка имеет две фасонные месильные лопасти, вращающиеся в проти­воположных направлениях. Вал месилки муфтой соединяется с валом электродвигателя-динамометра 2. Отличием этого электродвигателя-динамометра от обычного электродвигателя является то, что его статор не закреплен на плите ма­шины, а способен смещаться вокруг своей оси, концы его (втулки для вала ротора) находятся в подшипниках стоек 3.

Конструкция и принцип действия электродвигателя-динамометра таковы, что чем больше сопротивление, оказываемое тестом, замешиваемым в месилке месиль­ным рычагом, тем больше отклоняется электродвигатель-динамометр от своего ис­ходного положения, слегка поворачиваясь вокруг своей оси.

Отклонения электродвигателя-динамометра системой рычагов 4 передаются стрелке указывающего устройства 6 и перу самопишущего устройства 7. Уменьше­ние сопротивления замешиваемого теста вызывает обратное смещение электродви-

 

гателя-динамометра, а следовательно, стрелки указателя и пера самопишущего прибора.

Назначение детали 5 — амортизировать рывки, являющиеся следствием периодического изменения сопротивления теста месильным рычагам. Сопротивление это меняется вследствие того, что фасонные лопасти вращающихся рычагов то сходятся, то расходятся. Даже после амортизации этих рывков кривая, записываемая при­бором, как мы увидим ниже, отражает все же отдельные колебания с различной и переменной амплитудой.

Между двойными стенками амортизатора прогоняется вода, температура которой с помощью терморегулирующего устройства термостата поддерживается на постоянном уровне, что обеспечивает неизменную вязкость масла.

При исследовании реологических свойств теста в процессе его за­меса с помощью фаринографа получается кривая — фаринограмма (рис. 6, б).

Фаринограммы замеса характеризуют следующие свойства теста:

1. Консистенция теста, максимальная величина которой на рисунке обо­значена размером а

 

 

 

Рис. 6. Фаринограф (а) схема фаринограммы (б )

 

012345678901234567890123456789 τ,мин

Как видно из приведенной фаринограммы, консистенция теста изменяется в течение всего времени замеса: возрастает в первый период замеса, затем некоторое время удерживается на максимально достигнутом уровне и постепенно снижается от середины ширины полосы кривой.

Обычно рекомендуют испытывать различные образцы муки при постоянном численном значении максимума консистенции теста, обозначенной на сетке фари­нограммы цифрой 500 (вся лента по ширине разбита на 1000 условных единиц). Раз­мер а характеризует заданную величину максимума консистенции.

2. Время образования теста, т. е. время в течение которого величина кон­систенции исследуемого в процессе замеса теста достигает своего максимума. Чис­
ленное значение этого показателя обозначено размером Ь.

3. Эластичность и растяжимость теста, характеризуемые шириной по­лосы кривой (точнее — амплитудой колебания пера самопишущего прибора, из ко­торых эта полоса складывается).

На схеме максимально достигнутое численное значение эластичности и растя­жимости обозначено размером с.

Чем шире кривая (чем больше амплитуда колебаний), тем эластичнее и растя­жимее тесто в этот момент.

4. Стабильность (устойчивость) теста, характеризующая длитель­ность сохранения тестом максимального уровня консистенции при замесе. Числен­ное значение этого показателя характеризуется размером d.

5. Разжижение (размягчение) теста, соответствующее разности между
максимально достигнутой при замесе консистенцией a_max и консистенцией в конеч­ный момент замеса. Численное значение этого показателя на фаринограмме обозна­чено размером е.

Однако фаринограф можно использовать не только для изучения реологических свойств теста во время замеса, но и для исследования из­менения реологических свойств теста в процессе брожения или автоли­за.

При такого рода испытаниях замешивают не только муку и воду, но и дрожжи (если хотят изучить тесто в процессе его брожения) и любые другие, обусловливаемые целью опыта добавки.

После замеса определенной длительности (обычно 10 мин) месил­ку останавливают и тесту дают в течение часа бродить (или просто оставляют в покое для автолиза), после чего месилку вновь включают и в течение определенного времени производят как бы обминку теста, за­тем оставляют еще на час в покое и после второй обминки снова остав­ляют па час в покое, чередуя эти приемы в течение всего времени, обу­словленного назначением опыта.

На рис. 7 приведена фаринограмма двухчасового брожения теста, замешенного из муки, воды и дрожжей.

Первый отрезок кривой характеризует изменение реологических свойств теста в процессе замеса в течение 10 мин. Первый интервал соответствует первому часу брожения теста. Следующий за этим отрезок кривой характеризует реологические свойства в процессе первой пятиминутной обминки теста, второй интервал соответ­ствует второму часу брожения, после чего идет кривая второй обминки.

Для количественного со­поставления различных фари-нограмм между собой желате­льна их цифровая характери­стика

Для цифровой характери­стики фаринограмм замеса бы­ла установлена необходимость фиксировать следующие пока­затели

1) численное значение максимума консистенции а_max
выражаемое в условных едини­цах консистенции теста

7890123456789012345678901234 х.мин Рис 7. Фаринограмма двухчасового брожения теста   ,hjброжения

2) консистенцию теста в момент окончания замеса (обозначенную в случае, если замес длится 10 мин, сим­волом а₁₀, если 20 мин - а₂₀ и т. д.), выражаемую в тех же условных единицах конси­стенции;

3) Конс

3)консистенцию теста в определенные промежуточные моменты замеса;
например, при замесе в течение 60 мин фиксировалось значение не только а_мах и а₆₀,
но и а₃₀, а иногда и а₁₀,

4) значение е₁₀, е₂₀ и т. д., определяемое по разности между а_мах и а₁₀, а₂₀ и
т. д, выражаемое в тех же условных единицах консистенции;

5) время достижения замешиваемым тестом максимума консистенции b,
выражаемое в минутах;

6) величину максимальной эластичности и растяжимости теста с, выража­
емую в миллиметрах ширины полосы кривой, причем попутно фиксируется и время
достижения этого максимума, например, если после 2 мин замеса достигнут макси­
мум эластичности теста при ширине кривой в этот момент 17 мм, то с_mах = с₂ = 17 мм,

7) эластичность и растяжимость теста в момент окончания замеса во все
промежуточные моменты, когда фиксируется численное значение показателя кон­систенции теста.

При цифровой обработке фаринограммы брожения (или автолиза) для перво­го отрезка кривой замеса фиксируются величины.

а_мах, b, a_10, e_10, c_max и с₁₀

С₁₀

Для каждого из последующих отрезков кривой, соответствующих очередной пятиминутной обминке, фиксируются величины:

а_мах, b, a_5, e_5, c_max и с₅

 

В кривых обминок при их цифровой обработке отбрасывается отрезок за пер­вые полминуты работы тестомесилки, так как в ряде случаев характер кривой на этом отрезке зависит не столько от реологических свойств теста, сколько от первона­чального сопротивления теста введению в него (или проворачиванию в неподвиж­ной его массе) лопастей месилки.

В некоторых случаях исследования реологических свойств теста в процессе его длительного замеса были зафиксированы первый максимум консистенции а_мах1 и время его достижения b ₁, второй максимум консистенции а_мах2 и время его достиже­ния b₂, а также третий максимум консистенции а_тлх3 и время его достижения b_3.

Первый максимум консистенции можно считать максимумом, обусловленным смешением муки и воды. Второй максимум связывают с процессом набухания, про­текающим в тесте, а третий максимум — с возрастанием липкости теста, а следовате­льно, прилипания его к стенкам месилки в процессе работы.

Чем сильнее мука, тем больше на фаринограмме замеса значения а₁₀, bи d и тем меньше значение е₁₀, а на обминочных кривых тем больше значения a_max, а₅ и тем ме­ньше значение е₅.

Фирма «Брабендер» выпустила и другую модель прибора — Do-Corder, позволяющую в конструктивно усиленной тестомесилке-тестообразователе с переменной частотой вращения рабочих орга­нов определять силу пшеничной муки в условиях, приближающихся к приготовлению теста па современных агрегатах с интенсивной механи­ческой обрабожой теста.

В Венгрии производился прибор для определения силы муки по реологическим свойствам теста в процессе его замеса, носящий наз­вание валориграф. Этот прибор компактнее фаринографа фирмы «Бра­бендер» и позволяет получать кривые, аналогичные получаемым на фарипографе. В США для определения силы муки применяется и миксограф Свенсона и Уоркипга, также представляющий собой регистри­рующую сопротивление теста месилку.

Определение силы муки на экстенсографе. В дополнение к фарипографу фирма «Брабепдер» выпускает прибор экстенсограф, на котором тесто, замешенное на фарипографе, испытывается па растяжение до разрыва. При этом на лете самописца вычерчиваются кривые (экстенсограммы), характеризующие сопротивление теста растяжению (Р_экст) и величину растяжения до момента разрыва (L_экст).

За последнее время было предложено по площади, ограниченной кривой экстенсограммы (W_экст ), выражаемой в см², судить о работе, затраченной на деформа­цию растяжения теста

Чем сильнее мука, тем больше значения показателен Р_экст н W _экст и тем меньше L_экст.

Определение силы муки на алъвеографе. Альвеограф производится фирмой «Шопен» (Франция).

Прибор (рис. 8, а) состоит из двух составных частей: месилки и собственно альвеографа. Месилка имеет устройство, выпрессовывающее после замеса пластину теста, всегда одинаковую по размерам и плотности. Собственно альвеограф представляет собой прибор, в котором определяются реологические свойства пласта теста, зажатого герметически между фланцами. Пластина теста выдавливается воздухом в виде все увеличивающегося пузыря. Стенки этого пузыря становятся все тоньше и тоньше, и, наконец, в момент, зависящий от свойств теста, пузырь лопается. Давление воздуха создается поднятием на определенный уровень склянки с водой, вытесняющей при этом воздух из бюретки.

Давление воздуха, создаваемое в процессе испытания образца теста, регистри­руется в виде кривой на бумажном бланке, закрепляемом на барабане кимографа

12

13

10 11

 

Рис. 8. Альвеограф (а) и альвеограммы (б):

1 — переносная склянка с тубусом; 2 — градуированный сосуд; 3 — воздушная камера; 4 — крыш­ка; 5 — затворный клапан; 6 — трехходовой кран, 7 — резиновая груша; 8 — шкаф для расстойки; 9 — выключатель; 10 — распределительный валик; 11 — арретир; 12 — кимограф; 13 — механический мано­метр; 14 — стрелка самопишущего прибора; 15 — водяная камера с краном; I — сильная мука; II — сла­бая мука

(самопишущего механизма.). Кривые, получаемые на альвсограмме, характеризуют силу муки.

Испытанию подвергают образцы теста, замешенного из муки и 2,5%-ного рас­твора поваренной соли. Соотношение муки и раствора соли устанавливается с таким расчетом, чтобы на 250 г муки влажностью 14,3% приходилось 125 мл солевого рас­твора. Тесто должно иметь температуру 25 °С.

Замес теста в месилке альвсографа длится 6 мин, после чего тесто выталкивает­ся специальным приспособлением через выпускное отверстие месилки на прием­ную пластинку. Сформованные стандартные по размерам диски теста перемещают­ся для отлежки в термостат альвеографа при 25 °С. Испытание на альвеографс про­изводится через 26 мин с момента начала замеса.

На рис. 8, б приведены примерные альвеограммы сильной (I) и слабой (II) муки.

Для характеристики альвеограмм используются следующие их показатели: Р_альв — максимальная ордината альвеограммы, выражающая упругость теста; L_альв — абсцисса альвеограммы — растяжимость теста; W_альв — площадь альвеограммы —

удельный расход энергии на деформацию испытуемого теста, выражаемый в Дж * 10^-4.

Чем сильнее мука, тем больше величины Р_альви W_альв.

В настоящее время для характеристики теста ГОСТом 28795-90 (ИСО-5530-4-83) предусмотрено определение реологических свойств теста с помощью альвеографа. Этот метод рекомендуется применять для определения качества новых сортов пшеницы и оценки использова­ния их для промышленности, для определения соотношения различ­ных сортов пшениц в смесях перед помолом и проверки эгих смесей, для составления промышленных сортов муки путем установления со­отношения различных потоков муки в смеси и стабильности смешива­ния.

Зависимость между показателями отдельных методов определе­ния силы муки по реологическим свойствам теста. Чем сильнее пше­ничная мука, тем больше значения показателей b и d. фаринограмм, Р и W альвеограмм и экстенсограмм и тем меньше значение е фариног­рамм, L альвеограмм и экстенсограмм и показателей D₁₈₀ и K₆₀ теста.

Поэтому между численными значениями отдельных из этих пока­зателей существует закономерная либо прямая, либо обратная корреля­ционная зависимость. Значения коэффициента корреляции между от­дельными упомянутыми показателями лежат обычно па уровне от 0,7 до 0,9.

Применение чисто реологических методов определения реологи­ческих свойств теста с выражением их в соответствующих абсолютных реологических единицах целесообразно в исследовательских лаборато­риях.