Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ современного состояния проблемы 11
1.1 Социальные аспекты дискретных процессов произволства хлеба- 11
1.2 Производство хлебобулочных изделий с удлинением времени расстойки тестовых заготовок 14
1.3 Охлаждение и замораживание тестовых заготовок и готовых изделий - 16
1.4 Анализ результатов научных исследований по вакуумно-испарительному охлаждению пищевых продуктов - 25
1.5 Анализ промышленных и исследовательских установок для вакуумно-испарительного охлаждения пищевых продуктов 28
1.6 Постановка задач исследования 30
ГЛАВА 2 Теоретическое исследование процесса вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий - 34
2.1 Уточнение физических представлений о выпечке и вакуумно-испарительном охлаждении хлебобулочных изделий
2.2 Разработка математической модели вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий
2.3 Выбор метода и разработка алгоритма численного исследования изучаемых процессов
2.4. Расчетно-теоретическое исследование процесса вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий
Выводы по главе 2 58
ГЛАВА 3 Экспериментальное исследование процесса вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий
3.1 Планирование эксперимента и задачи экспериментального исследования
3.2 Разработка методики эксперимента 63
3.3 Разработка экспериментальной вакуумно-испарительной системы
3.4 Определение характеристик системы вакуумно-испарительного охлаждения и условий проведения экспериментов
3.5 Результаты экспериментального исследования характеристик вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделии. - 79
3.6 Регрессионная зависимость температуры охлаждения 87
от времени
Выводы по главе 3 88
ГЛАВА 4 Выбор режима окончательной выпечки хлебобулочных изделий с промежуточным охлаждением полуфабрикатов и оценка качества готовых хлебобулочных изделий, полученных новым способом 90
4.1 Задачи и методика исследования
4.2 Выбор режима окончательной выпечки 90
4.3 Определение физико-химических характеристик полученных хлебобулочных изделий 91
4.4 Результаты органолептической оценки полученных хлебобулочных изделий 95
Выводы по главе 4 99
ГЛАВА 5 Рекомендации по организации и проведению дискретного производства хлебобулочных изделий на основе использования вакуумно-испарительного охлаждения 101
Выводы по диссертационной работе 109*
Литература
- Производство хлебобулочных изделий с удлинением времени расстойки тестовых заготовок
- Разработка математической модели вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий
- Определение характеристик системы вакуумно-испарительного охлаждения и условий проведения экспериментов
- Определение физико-химических характеристик полученных хлебобулочных изделий
Введение к работе
Актуальность проблемы
Снабжение населения свежим хлебом и хлебобулочной продукцией -важная задача улучшения качества жизни. Её решение для отдаленных пунктов снабжения практически отсутствует. Положение усугубляется тем, что для отечественной хлебопекарной промышленности характерна высокая концентрация производства, при которой также возникают трудности сохранения свежести хлеба и оперативной доставки его в торговую сеть. К.к правило, утром в магазин поступает хлеб, так называемой ночной выпечки, т.е. выпеченный на 8 и более часов ранее. Еще хуже дела обстоят для отдаленных пунктов питания и магазинов сельской местности. Задача снабжения населения свежим хлебом и хлебобулочной продукцией остается не решенной, и её решение актуально [28, 9, 14, 33, 59, 60, 68].
Основными направлениями работ по улучшению снабжения населения свежевыпеченными хлебобулочными изделиями являются:
удлинение времени расстойки путем воздействия на рецептуру теста и технологические параметры процесса расстойки [3, 5, 10, 69];
Производство хлебобулочных изделий с удлинением времени расстойки тестовых заготовок
Эти технологии базируются на использовании традиционных способов производства хлебобулочных изделий с изменением времени расстойки. Не обходимость ускорения брожения теста возникает при возобновлении работы предприятия после перерыва или снижении температуры помещения, а также при переработке сильной муки, тесто из которой созревает сравнительно медленно [1,3, 60, 51, 5, 36]. . Для ускоренного приготовления определенных порций теста следует [3, 37, 69]: несколько увеличить дозировку дрожжей; повысить температуру полуфабрикатов; добавить при замесе порции спелого теста или раз k личные закваски; добавить белый солод, фосфорнокислые соли, азотсодержащих и ферментных препаратов. Иногда средства, ускоряющие брожение и созревание теста, применяют одновременно.
В ряде случаев требуется замедлить процессы созревания и брожения полуфабрикатов. Например, в жаркое время года процесс накопления кислот в полуфабрикатах происходит слишком быстро и его необходимо замедлить. Особое значение имеет консервация [3, 68] опар, жидких дрожжей и заквасок при двухсменной работе. В этом случае полуфабрикаты, которые следует приготовлять непрерывно (закваски, жидкие дрожжи), приходится кон-сервировать на 4...6 ч.
Для замедления брожения полуфабрикатов (пшеничных), а также для консервирования их на несколько часов обычно в тесто добавляют поваренную соль и двууглекислую соду и резко снижают температуру [3, 68, 69]. Поваренная соль тормозит жизнедеятельность микрофлоры, задерживая зсе ви I ды брожения в полуфабрикатах. В то же время соль существенно влияет на состояние белково-протеиназного комплекса муки: снижает активность про теолитических ферментов и уплотняет структуру белков, задерживая в целом их распад.
Двууглекислую соду применяют для снижения кислотности пшеничных полуфабрикатов (0,3—0,5% от массы муки). Она нейтрализует кислоты, содержащиеся в полуфабрикатах и повышает рН среды, что тормозит процесс спиртового брожения. Производственная практика показывает, ч го добавление соды позволяет сохранить нормальную кислотность в пшеничных полуфабрикатах даже в том случае, когда они бродят на 3...6 ч дольше обычного.
Замедление расстойки при температурах 20...24С [3, 60, 68, 69] достигается уменьшением вложения дрожжей. При необходимости процесс мед-пленного брожения может быть ускорен увеличением температуры до 34 -г38С, что осуществляется переводом расстаиваемых изделий в расстойную камеру. В последнее время получил распространение способ [60, 68, 3, 10] за медления процесса расстойки путем охлаждения теста в холодильной каме ре с умеренным холодом. Это понижает температуру внутри тестовой за готовки до +5С ... +2С. Подъемная сила дрожжей и активность ферментов в тесте при охлаждении резко снижаются и возможно замедление процесса расстойки до 8...20 часов. ,
Данный способ дает следующие преимущества: возможность сдвинуть производственные процессы по времени, ликвидировать ночную смену; улучшить качество расстойки за счет большего набухания теста, повысить вкусовые качества хлебобулочных изделий, образовать более ровнук/короч-ку с красивым цветом, более сочный и свежий мякиш. Все это способствует появлению свежей выпечки в раннее время и увеличивает сбыт хлебобулочных изделий [60, 45]. В машинно-аппаратурном исполнении такой технологический процесс можно выполнить в разработанной нами расстойно-холодильной камере, работающей по принципу теплового насоса [9,10].
Однако хлеб, полученный по такой технологии, требует обязательной выпечки в срок не более чем через 20 часов. Причина в том, что рост дрожжевых клеток полностью не остановлен и брожение продолжается. Соответ и ственно излишнее брожение ухудшает качество выпеченного хлеба. Такой хлеб будет выглядеть, как показано на рисунках 1.3 и 1.4 [3 ].
Процесс расстаивания существенно замедляется или полностью прекращается при снижении температуры до минус 18С. Совершенствованию технологии производства хлебобулочных изделий из замороженных тестовых полуфабрикатов посвящено большое количество исследовательских работ. Научные основы данной технологии созданы отечественными учеными О.В.Тешителем [66, 67], И.П.Петрашом, Ф.Н. Андреевым, И.В.Матвеевой, СТ. Кретовым [29-32] и другими. За рубежом в этом направлении работали K.Lorenz, P.Mazur, W.Bushuk, Y.lnoue, L.Kline, T.Sugihara [49, 88, 89, 90].
Технология быстрого замораживания [65, 49, 62, 26, 27, 30, 70] сводится к следующим операциям: замес теста; брожение, разделка заготовок с последующей предварительной короткой расстойкой; формование тестовых заготовок; быстрое замораживание заготовок до температуры внутри тестовой заготовки минус 18С. При этом расстойка останавливается за счет снижения активности дрожжей и ферментов. Замороженные полуфабрикаты хранятся в морозильной камере при температуре минус 18С в течение от 16...24 часов и до нескольких недель до начала выпечки.
При необходимости возобновления производственного процесса тестовые заготовки размораживаются при температуре +12С, затем в течение 2...3 часов выполняется расстойка при температуре до 28С. После этого они выпекаются при температурах несколько ниже обычных температур. При хранении тестовых заготовок более чем одну неделю продукты должны быть упакованы. [26, 27, 49, 60].
Разработка математической модели вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий
При выпечке поток тепловой энергии, поступающий в рабочую, зону печи, расходуется на нагрев хлебобулочных изделий и технолог ; веских приспособлений, на которых он размещен. Температура поверхности изделия (корочки) повышается от начальной близкой к 36С, до конечной 160...200С. За это время в центральных частях мякиша изделия температура при ближается к 94...98С [3, 68].
Хлебобулочные изделия выпекаются при наличии или отсутствии увлажнения воздушной среды в начальный период выпечки. В любом случае влага внутри теста-хлеба вначале мигрирует от периферийных его с поев к центральным. В заключительный период выпечки влага в центральные слои теста-хлеба перестает поступать; она постепенно испаряется и также уходит наружу через поры. Таким образом, в течение всего периода выпечки влага из хлебобулочного изделия уходит в виде пара.
Алгоритм численных расчетов параметров процесса выпечки должен описывать следующие явления [1,3, 12, 25, 34, 39, 40, 42, 52, 55, 68, 69]: - теплоотдачу от окружающей газовой среды печи к поверхности теста-хлеба конвекцией; - теплоотдачу к этой поверхности от конденсирующихся на Hefj водяных паров, содержащихся в окружающей среде; - теплопередачу тесту-хлебу излучением от нагретой газовой среды и ограждающих поверхностей печи; - передачу теплоты теплопроводностью от твердых поверхностей пода, на котором лежит хлеб. - передачу теплоты в объеме теста-хлеба теплопроводностью, осложненную явлениями одновременно протекающих процессов испарения и перетекания влаги за счет процессов диффузии и термодиффузии; У - изменение структуры теста-хлеба под действием теплоты и соответствующие изменения теплофизических характеристик теста-хлеба; - поток пара от наружной поверхности выпекаемого изделия, который препятствует теплообмену конвекцией с окружающей средой.
Сложные коллоидные и микробиологические процессы в объеме хлебобулочного изделия, протекающие под действием нагрева, в такой модели физических явлений проявляются в виде изменений физических параметров выпекаемого изделия. Доза температурного воздействия определяется как интеграл от температуры (t) по времени ее воздействия (т). Выражение для дозы имеет вид [39,40]: где: t,cp — критическое значение температуры, соответствующее началу необратимых изменений прочностных свойств теста-хлеба.
Доза температурного воздействия на тесто является характеристикой полноты протекания сложного процесса преобразования теста в мякиш хлеба и должна иметь критические значения, соответствующие той или иной степени завершенности процесса выпечки [39, 40].
Выполняемые численные расчеты выпечки по разработанному в Орел-ГТУ алгоритму, прерывают в заданное время для получения полей температур и влажности, используемые в дальнейшем как начальные услокПя для продолжения расчета по разработанному в данной работе алгоритму охлаждения изделия (раздел 2.2).
Альтернативой традиционным способам охлаждения является ваку-умно-испарительное. В этом процессе свободная и распределенная в объеме продукта влага, испаряясь, отбирает теплоту [7, 13, 37, 41, 85]. Процесс ре лаксации между изменениями давления насыщенных паров и температуры жидкости протекает быстро. Поэтому по мере откачивания газов давление насыщенных паров над свободной поверхностью жидкости можно отождест вить с давлением в камере охлаждения. При откачке воздуха и водяных па ров, поступающих в камеру от охлаждаемых продуктов, внутри влажного пористого продукта создаются условия для изоэнтропного объемного испа рения и кипения жидкости. В отсутствии теплопритоков извне испарение и кипение жидкости приводит к одновременному охлаждению каждой частицы продукта до температуры насыщенных паров воды (рисунок 2.2).
Определение характеристик системы вакуумно-испарительного охлаждения и условий проведения экспериментов
Разработанный экспериментальный стенд включает в свой состав лабораторное и экспериментальное оборудование позволяющее: - выпекать хлебобулочные изделия; - вакуумировать камеру охлаждения для осуществления процесса ваку-умно-испарительного охлаждения образцов изделий; " - охлаждать наружную поверхность камеры вакуумирования от тепло-притоков от ее стенок к экспериментальному образцу изделия; - хранить охлажденные изделия при температуре около +2С; - допекать изделия после их хранения; - измерять и регистрировать все контролируемые параметры.
Схема разработанной экспериментальной установки представлена на рисунке 3.1. Она включает: -лабораторную хлебопекарную печь 1 с регулируемой температурой среды для предварительной и окончательной выпечки; - лабораторную расстойную камеру 2; - камеру вакуумно-испарительного охлаждения 3, размещенную в холодильнике 4; - систему вакуумирования камеры, включающую в себя вакуумный насос 5, масляный фильтр 6, фильтр осушитель 7, ресивер 8, соединительные магистрали 9, запорные краны 10; - информационно-управляющую систему, включающую - компьютер 11, аналогово-цифровой преобразователь 12, датчики давления 13, температуры 14, усилий 15.
Герметичная камера вакуумно-испарительного охлаждения 3 отвечает специфичным требованиям, предъявляемым к вакуумной аппаратуре и оборудованию [2, 52, 23]. Пористость материалов камеры и их газоотделение должны быть минимальными. Поверхность хорошо обработана и имеет высокую коррозионную стойкость. Использованная камера охлаждения изготовлена из алюминиевого сплава с гладкой обработанной поверхностью, освобожденной от газа при температуре 400 С в соответствии с технологией [2, 23]. Такая обработка обеспечивает малое поглощение и газовыделение поверхностной пленки дюралюминия. Загазованностью поверхностных слоев камеры можно пренебречь, так как заметных величин она достигает при температурах, превышающих 100 С. В экспериментах температура поверхности камеры не превышала температуры окружающей среды, равной 17-24 С
В соответствии с таблицей давлений насыщенного водяного пара при различных температурах [6, 52] для охлаждения влагосодержащих изделий до 2С необходимо создавать абсолютное давление в камере охлаждения, равное 705,5 Па.
Однако, как во всякой экспериментальной системе, параметры должны выбираться с запасом. Поэтому необходимое предельное давление, создаваемое насосом, выбирается не выше 610 Па, или 6 мбар. Примененный вакуумный насос 5 фирмы Marvac Scientific mfg.Co, СА.94518 Concord имеет производительности 30 л/мин и позволяет получить требуемое давление. Производительность вакуум-насоса должна обеспечивать продолжительность охлаждения, не превышающую 3...5 минут.
Для предотвращения попадания масла из насоса в вакуумную систему на его входе устанавливается масляный фильтр 6, изображенный на рисунке 3.3, который устраняет масляный остаток - пары масла (туман) из рабочей области. Фильтр содержит обернутые
Масляный фильтр полиэстровые элементы стекловолокна, улавливающие и осаждающие на свою поверхность до 99,97 % маслосодержащих паров воздуха. Максимальная рабочая температура 93 С. Другой фильтр-осушитель 7 отдельно представлен на рисункі. 3.4. Он предназначен для устранения неблагоприятных воздействий на насос влаги, твердых частиц различной природы и кислот и обеспечивает одновременно фильтрование, осушение и нейтрализацию. Перед установкой фильтр проходит предварительную горячую сушку при температуре 200 С, после чего его входные отверстия закрывают герметичными заглушками. Заглушки снимают только перед монтажом фильтра в рабочий контур.
Вакуумные трубопроводы 9 выбраны так, чтобы их внутренний диаметр был равен диаметру входного отверстия насоса. Это устраняет дополнительное местное сопротивление соединений. После сборки стыки Зраба-тывались герметиком и эпоксидной смолой для полной герметизации соединений. В результате удавалось добиться вакуума в системе, характеризуемого остаточным давлением около 2..3 мбар.Многоканальная компьютерная система сбора, обработки и представления данных выполнена на основе персональный компьютера Pentium 3 с объемом оперативной памяти 128 Mb, с конфигурацией лЦП и согласующих устройств SXCI 1000 по рекомендации компании «National Instrument». Кроме того, система включает в себя:
- измерительный преобразователь давления 13 JUMO dTRANS р02 Тип 404385 изображенный на рисунке 3.5. Датчик работает по пьезорези-стивному тензометрическому принципу. Выходной сигнал постоянного тока пропорционален измеряемому давлению;
- цифровые термометры Dallas semiconductor DS18201- WireTM. Цифровой термометр, изображенный на рисунке 3.6, измеряет температуры в пределах от -55 С до +125 С с погрешностью 0,5 С .
Определение физико-химических характеристик полученных хлебобулочных изделий
Исследования проводили на хлебобулочных изделиях «Булочка сдобная» [17] массой 100 г, прошедших этап вакуумно-испарительного охлаждения до температур 0...+2 С , с последующим хранением при темпфатуре 0...+2 С в течение 10 дней в лабораторном холодильнике и этап окончательной выпечки. Готовые изделия сравнивались с изделиями, выпеченными из того же теста по традиционной технологии, характерной для производства хлебобулочных изделий такого типа. Проверялись основные физико-химические характеристики: кислотность мякиша, удельный объем, пористость и влажность готовых изделий, а также проводилась органолептическая оценка качества изделия по методикам, описанным в [11, 25, 18, 51, 57, 58, 61].
Кислотность мякиша определялась по ГОСТ 5670-96-хлебобулочные изделия. Методы определения кислотности [20].
Результаты измерений кислотности мякиша представлены в таблице 4.1. Из неё видно, что при использовании исследуемого процесса ij-.іслот-ность мякиша готовых изделий находится в нормируемых пределах.
Для определения удельного объема образцов использовали методику, рекомендуемую для производственных лабораторий, изложенную в источниках [25, 61]. Исследуемый образец помещали в емкость, наполненную пшеном. Мерным цилиндром измеряли объем вытесненного пшена. Образец взвешивали. Удельный объем вычисляли по формуле: Vya=V/M, (4.1) где V - вытесненный объем, см ; М - масса изделия, г. Из таблицы 4.2 видно, что удельный объем изделий, полученных по разработанному способу, соответствует величине, характерной для изделий, получаемых по традиционной технологии.
Пористость определялась стандартным методом по ГОСТ 5669-96-хлебобулочные изделия. Методы определения пористости [19].
Для определения пористости использовали прибор Журавлева. Из мя-киша хлеба делали выемки. Объем одной выемки равен 27 см . Приготовленную выемку взвешивали на весах с точностью до 0,01 г. Пористость (%) вычисляли по формуле: I где Y - общий объем выемок, см ; D - масса выемок, г; Р - плотность беспористой массы мякиша, г/см . Из таблицы 4.3 видно, что пористость изделий, полученных в результате применения исследуемого процесса, не ниже нормируемой величины.
Влажность определялась по ГОСТ 21094-75-хлеб и хлебобулочные изделия. Метод определения влажности. [16] В работе использовался рибор ПИВИ - 1, с автоматическим регулированием температуры нагревателей и программируемым таймером, который предназначен для проведения оперативного контроля влажности сырья и продуктов в лабораторных условиях пищевых предприятий (рисунок 4.1).
Образцы для определения влажности брались из середины изделия (ближе к низу булочки), другой под корочкой. Взвешивание производили на весах Adventurer фирмы OHAUS с точностью измерения ± 0,01г. Остыва ние полученных образцов производили в лабораторном эксикаторе, запол ненном силикагелем.
Органолептические показатели качества готовых хлебобулочных изде лий типа «Булка сдобная» массой 100 г должны соответствовать ГОСТ 24557-89 - изделия хлебобулочные сдобные или ГОСТ 9831-61 - хлеб сдоб ный в упаковке. Для оценки органолептических качеств изделий, получен ных после окончательной выпечки, использовали шкалу балльной оценки хлебобулочных изделий из пшеничной муки первого сорта, разработанной на кафедре технологии хлебопекарного производства МГУПП совместно с » контрольно- производственной лабораторией хлебопекарной промышленно сти г. Москвы приведенной в таблице 4.5.
