Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние теории и техники выпечки мучных изделий из сахарного теста 10
Глава 2. Методики экспериментальных исследований 54
2.1 Методика комплексного определения теплофизических характеристик теста 54
2.2 Методика экспериментального определения влагопроводности теста 59
2.3 Методика определения термовлагопроводности 5 теста 63
2.4 Методика выбора типа излучателя и оптимального режима его работы в процессе выпечки печенья 65
Глава 3. Экспериментальные исследования свойств выпекаемых заготовок сахарного печенья и выбор оптимального типа инфракрасного излучателя ; 68
3.1 Комплексное исследование теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности сахарного теста 68
3.2 Исследование влагопроводности сахарного теста 74
3.3 Исследование термовлагопроводности теста сахарного печенья . 79
3.4 Исследование спектральных и интегральных характеристик теста и печенья 81
3.5 Результаты исследования энергетических и эмиссионных характеристик инфракрасных излучателей 95
3.6 Выбор рационального типа излучателя и оптимального режима его работы при выпечке печенья 104
Глава 4. Экспериментальное исследование процесса выпечки сахарного печенья с предварительной инфракрасной обработкой тестовых заготовок 111
4.1 Исследование процесса инфракрасной выпечки сахарного печенья 111
4.2 Исследование температурного поля в процессе выпечки 119
4.3 Исследование кинетики влагоотдачи в процессе выпечки 121
4.4 Исследование влияния толщины тестовых заготовок на поле температуры в выпекаемых изделиях 130
Глава 5. Аналитические исследования лучистого теплообмена в инфракрасных печах и внутреннего теплопереноса в процессе выпечки 140
5.1 Аналитические исследования лучистого теплообмена в инфракрасных печах при несоосном размещении линейных излучателей относительно конвейера кондитерской печи 140
5.2 Аналитические исследования закономерностей внутреннего теплопереноса при предварительной инфракрасной обработке тестовых заготовок 150
Глава 6. Реализация результатов выполненного исследования и практические рекомендации 160
6.1 Методика инженерного расчета инфракрасной форкамеры для предварительной обработки тестовых заготовок 160
6.2 Расчет параметров рационального размещения линейных излучателей в камере предварительной инфракрасной обработки 168
Выводы и результаты исследования 175
Литература 177
- Современное состояние теории и техники выпечки мучных изделий из сахарного теста
- Методика экспериментального определения влагопроводности теста
- Исследование влагопроводности сахарного теста
- Исследование температурного поля в процессе выпечки
Введение к работе
На сегодняшний день перерабатывающие отрасли агропромышленного комплекса поставлены перед задачей производства качественных продуктов питания на основе совершенствования существующих и создания новых энерго- и ресурсосберегающих экологически чистых теплотехнологий, создания нового высокопроизводительного оборудования, способного снизить энергозатраты, потери сырья и непроизводительные затраты времени. Кроме того перед кондитерской промышленностью поставлены задачи расширения ассортимента изделий с использованием нетрадиционного сырья с целью повышения пищевой и биологической ценности, снижения энергетической ценности изделий, а также создания продуктов функционального назначения.
В связи с вышесказанным представляется актуальным и значимым развитие, совершенствование и интенсификация процесса выпечки, базирующегося на основных принципах современной технологии: от знания и анализа теплофизических свойств материала, как объекта термообработки, к выбору методов и оптимальных режимов процесса и на этой основе - к созданию рациональной конструкции установки.
Основное направление и актуальность исследований. Приоритетной социальной проблемой в Российской Федерации является обеспечение населения качественными, разнообразными и экологически безопасными продуктами питания. При этом необходимо увеличение доли продуктов массового потребления с высокой пищевой и биологической ценностью, а также создание продуктов питания функционального назначения.
Решение этих проблем требует развития перерабатывающих отраслей агропромышленного комплекса на основе совершенствования существующих и создания новых энерго- и ресурсосберегающих экологически чистых теплотехнологий, создание нового высокопроизводительного оборудования, способного снизить энергозатраты, потери сырья и непроизводительные затраты времени.
Большую роль в решении указанных проблем играют мучные кондитерские изделия (МКИ) которые составляют 54% от всего выпуска кондитерских изделий. Объем потребления МКИ в России около 700 тысяч тонн. При этом мучная продукция из сахарного теста (печенье, тарталетки и др.) составляет около 40% мучных кондитерских изделий. Благодаря этому оборудование для их производства становиться наиболее перспективным объектом совершенствования, а мучные изделия из сахарного теста становятся наиболее перспективным объектом для обогащения функциональными ингредиентами.
Процесс выпечки является одной из основных стадий производства мучных изделий, определяющей качество и себестоимость продукта, условия труда обслуживающего персонала, возможность создания поточных механизированных и автоматизированных линий. Поэтому актуальное значение имеет рационализация процесса выпечки за счет внедрения новых методов энергоподвода. Одним из таких методов является внедрение в производство инфракрасного* (ИК) энергоподвода, позволяющего не только снизить энергозатраты на выпечку вследствие лучистого способа передачи энергии, уменьшить металлоемкость печей, но также существенно расширить возможности использования газовых кондитерских печей.
Однако эти печи являются инерционными с точки зрения регулирования теплового режима и имеют ограниченный диапазон* регулирования продолжительности выпечки.
В современных условиях от предприятий требуется оперативность при освоении и выпуске новых видов продукции, гибкость и мобильность производства. Особенно это относится к выпуску мучных изделий из сахарного теста, ассортимент которых насчитывает более ста наименований: разных размеров и форм, плоских и объемных, в виде палочек, конусов, раковин, полуцилиндров и т. д. различных размеров. Однако выпекать разнообразные мучные изделия из сахарного теста в одной газовой кондитерской печи достаточно сложно ввиду ограниченных возможностей
регулирования, как продолжительности выпечки, так и режимных параметров самого процесса.
Кроме того, ввиду инерционности газовых печей переналадка их работы, т. е. изменение режима выпечки при изменении ассортимента, связана с непроизводительными затратами и потерями сырья. Установка дополнительной форкамеры на входе газовой кондитерской печи, позволяющей производить предварительную обработку тестовых заготовок инфракрасным излучением, позволяет решить указанные проблемы обеспечения требуемых режимных параметров выпечки без переналадки самой печи, снижения потерь сырья и рабочего времени, тем самым увеличивая производительность и технологические возможности оборудования.
Разработка устройства требует проведения исследований процесса инфракрасной обработки тестовых заготовок сахарного печенья, что является одной из целей диссертации.
В диссертационной работе поставлена задача снижения содержания сахара в мучных изделиях за счет частичной замены сахара-песка экстрактом лакричного корня, который содержит глицирризин (Е 958). Глицирризин в 50-100 раз слаще сахарозы и использование его позволяет получить диабетические мучные изделия. Таким образом, совершенствование процесса выпечки за счет внедрения ИК энергоподвода и получение- печенья с пониженным содержанием сахара является актуальной задачей.
В основу данной работы положены научные достижения современной теории инфракрасной выпечки и распространения излучения в светорассеивающих материалах. Работа является продолжением и развитием экспериментальных и теоретических исследований, проводимых А.В. Лыковым, Л.Я. Ауэрманом, А.С. Гинзбургом, В.В. Красниковым, М.М. Истоминой, Л.М.Аксеновой, В.И. Маклюковым, Ю.М. Плаксиным, В.А. Брязуном, В.Я. Черных, С.Г. Ильясовым, СВ. Зверевым и др.
Диссертационная работа связана с научно-исследовательской темой «Разработка технологии и создание оборудования для производства пищевых добавок и красителей на основе экстрактов из растительного сырья», включенной в Программу Правительства г. Москвы (№ 18.3.9) и выполненной совместно с ОАО «Московский комитет по науке и технологиям (МКНТ)»
Научная новизна. В результате проведенных исследований показана перспектива широкого использования в кондитерской промышленности предварительной инфракрасной обработки тестовых заготовок перед выпечкой мучных кондитерских изделий в газовых печах и глицирризиносодержащего экстракта из лакричного корня для производства диабетического ассортимента печенья.
При этом:
определены эмиссионные и энергетические характеристики современных генераторов ИК излучения;
определены теплофизические, терморадиационные и оптические свойства сахарного теста и печенья;
установлены закономерности распределения полей энергетического облучения от ИК генераторов, расположенных под углом к ходу конвейера, на поверхности облучаемых тестовых заготовок в виде дифференциального уравнения и полученного его решения; теоретически обоснована рациональность такого размещения в форкамере линейных ИК генераторов;
установлены кинетические закономерности термообработки тестовых заготовок в зависимости от их толщины, плотности теплового потока на их поверхности и продолжительности ИК-нагрева;
разработана математическая модель кинетики прогрева тестовой заготовки при РІК энергоподводе в виде дифференциального уравнения и полученного его решения, описывающего закономерности процесса теплопереноса;
6) теоретически обоснована и экспериментально подтверждена высокая эффективность размещения в инфракрасной форкамере блоков линейных ИК генераторов с возможностью их реверсного поворота относительно оси конвейера.
Практическая ценность. Теоретические и экспериментальные исследования завершены созданием на их основе математического и алгоритмического обеспечения и инженерного расчета ИК форкамеры для предварительной обработки тестовых заготовок. Установлены параметры рационального размещения генераторов ИК излучения относительно облучаемых тестовых заготовок в инфракрасной форкамере. Разработана программа расчета внутреннего теплопереноса в слое тестовой заготовки при ИК облучении. Создана новая высокотехнологичная установка для предварительной инфракрасной обработки тестовых заготовок с ИК энергоподводом. Предложенная конструкция установки внедрена на ООО «Кондитер» (г. Смоленск). Новизна технологического решения подтверждена патентом РФ № 2335901. Экономическая эффективность работы форкамеры в составе линии по производству МКИ из сахарного теста (ООО «Кондитер» г. Смоленск) составляет более 350 тыс. руб. в год. Разработана и утверждена нормативно-техническая документация на сахарное печенье с глицирризиносодержащим экстрактом из лакричного корня, имеющее диабетическое назначение.
Современное состояние теории и техники выпечки мучных изделий из сахарного теста
Современные тенденции развития рынка кондитерских изделий характеризуются постоянным увеличением объемов, благодаря чему кондитерское оборудование становится наиболее перспективным объектом для совершенствования, а мучные изделия из сахарного теста становятся наиболее перспективным объектом для обогащения их функциональными ингредиентами.
Перед кондитерской промышленностью поставлены задачи расширения ассортимента изделий с использованием нетрадиционного сырья с целью повышения пищевой и биологической ценности, снижения энергетической ценности изделий, повышения экономической эффективности производства мучных кондитерских изделий, а также создания продуктов функционального назначения [3, 151, 163, 170].
Мучные кондитерские изделия обладают, в основном, длительным сроком хранения, что делает их по существу «сладкими консервами».
Практически весь он заполнен продукцией российских предприятий. И всего лишь 7% приходится на долю импорта. При этом основную массу иностранной продукции Россия ввозит не из дальнего зарубежья - из Украины. Импортная продукция составляет около 22 тысяч тонн.
Из 700 тысяч тонн мучных кондитерских изделий потребление распределяется следующим образом: приоритеты отдаются сахарному и сдобному печенью - 60%, затем идут пряники - 19% и вафельные изделия -18%. Соленое печенье, галеты и крекеры, при всей полезности последних для здоровья, пока занимают небольшую нишу на рынке мучных кондитерских изделий - всего 3%. Эти данные отражены на рисунке 1.2.
Рецептурный состав мучных кондитерских изделий поддается гибкому регулированию, что позволяет на их основе создавать сбалансированные продукты питания, которые отвечают на только традиционным требованиям к потребительским свойствам, но и сформировавшимся за последние годы положениям науки о питании.
В современных экономических условиях, когда на российский рынок поступает большое количество импортных товаров, повышение потребительских свойств отечественных кондитерских изделий, вывод их на уровень конкурентоспособной продукции, создание высокоэффективных технологий, быстро реагирующих на спрос рынка и энергосберегающего оборудования - задача первостепенной важности. Решение этой задачи позволит не только увеличить объемы производства, но также значительно повысить качество мучных кондитерских изделий и экономичность производства. В настоящее время кондитерские предприятия- вырабатывают изделия, представляющие собой группу пищевой продукции весьма обширного ассортимента, значительно различающиеся по рецептурному составу, технологии производства и потребительским свойствам. Несмотря на то, что они не являются продукцией первой необходимости и не входят в состав «продуктовой корзины», кондитерские изделия ввиду своей потребительской привлекательности (особенно для детей) пользуются высоким спросом у населения. Несомненным преимуществом такой продукции является высокая питательная и энергетическая ценность, что играет существенную роль в восполнении энергетического баланса человека.
В настоящее время кондитерская промышленность - одна из наиболее динамично развивающихся пищевых отраслей. Это высокорентабельная отрасль, вносящая значительные суммы в бюджет страны. В 2007 г. в бюджеты всех уровней от предприятий поступило в виде налогов и сборов около 14 млрд. руб. Кондитерская промышленность имеет достаточно высокий удельный вес в объеме (в стоимостном выражении) выпускаемых в стране продовольственных товаров. В 2007 г. удельный вес объема производства кондитерских изделий в денежном выражении составил около 8% всех выработанных в России продовольственных товаров.
Согласно проведенной экономической оценке, кроме официально объявленного количества выработанной продукции, ежегодно еще производится не менее 250і- 300 тыс. т. кондитерских изделий в год (в среднем — 270 тыс. т.), в основном мучных. Это кондитерская продукция, изготовленная кафе, столовыми, ресторанами, многочисленными предприятиями всех отраслей народного хозяйства и крупных организаций, имеющих свои столовые, цеха и участки по выработке мучных кондитерских изделий (тортов, пирожных, рулетов, кексов и др.). Эта продукция производится мелкими частными предприятиями и коммерческими пекарнями, которых только в Москве насчитывается несколько сотен.
К сведению, среднеевропейский размер душевого потребления составляет 19,5 кг кондитерских изделий в год. Основными показателями производственного потенциала кондитерской промышленности являются производственные мощности и коэффициент их использования, средний возраст оборудования, а также уровень механизации производственных процессов.
Производством кондитерских изделий в России занимаются предприятия и объединения различных форм собственности и относящиеся ко многим отраслям пищевой промышленности (кондитерской, хлебопекарной, винодельческой, плодоовощной, консервной, винодельческой, спиртовой), а также пищекомбинаты и другие предприятия. Число предприятий, отчитывающихся ежегодно перед Госкомстатом, непостоянно. При этом удельный вес мелких предприятий (мощностью до 5 тыс. тонн изделий в год) составляет около 90%.
Производственные мощности в отрасли имеют тенденцию к росту. Производственно-техническая база кондитерской промышленности в целом характеризуется довольно низким техническим и технологическим уровнем, особенно на предприятиях, построенных в 60-70-е гг. XX века. Мировому уровню соответствует не более 15% находящегося в эксплуатации технологического оборудования. Оборудование в кондитерской промышленности - преимущественно импортное, и обновление его идет замедленными темпами. Исключение составляют новые кондитерские фабрики, построенные за счет иностранных инвестиций, а также фабрики, акционерами которых являются иностранные фирмы и ряд успешно работающих
В решении проблем, стоящих перед кондитерской промышленностью, важную роль должны сыграть, научные исследования, направленные на. дальнейшее внедрение прогрессивных способов энергоподвода в процессе выпечки,, совершенствование технологических процессов, повышение эффективности производства с использованием аналитических методов решенияинженерных проблем и улучшения качества выпускаемой продукции.
Методика экспериментального определения влагопроводности теста
При решении различных задач, связанных с теплообменом во влажных материалах, необходимо знать численные значения их влагокоэффициентов [41, 43, 44, 89, 97]. В процессе нагрева при выпечке создается градиент влагосодержания по толщине продукта. Этот градиент является одной из движущих сил процесса сушки, обеспечивающей перемещение влаги как внутрь материала, так и к его поверхности.
В правой части поставлен знак минус, потому что влага движется в направлении, обратном направлению градиента влаго содержания. Коэффициент влагопроводности ат характеризует сопротивление, преодолеваемое влагой в процессе массообмена. Это означает, что в разные периоды выпечки значение ат будет различным из-за того, что при этом преодолеваются различные силы связи влаги с материалом [91].
В прозрачном корпусе 1 находится вода, в которую погружены влагопроводящие фитили 8. Исследуемый материал 16 помещается в цилиндр 4, открытая поверхность образца обдувается вентилятором 15. Кювета вместе с образцом материала находится на платформе 5 электронных цифровых весов 11. При испарении влаги через материал в корпусе 1 может возникнуть вакуум, чтобы этого не произошло, предусмотрено отверстие 2. С помощью гайки 3 корпус 4 устанавливается на такой высоте, чтобы фитили 8 доходили до дна кюветы 1. На платформе 5 электронных весов 11 установлены ограничители 6, позволяющие избегать перегрузок весов. Фитили 8 для капиллярного подъёма воды фиксируются в перфорированной пластмассовой перегородке 7, на которую укладывается слой ткани. Перегородка 7 устанавливается в цилиндре 4 и фиксируется в нём пружинной шайбой 9. Электронные весы устанавливаются горизонтально с помощью регулировочных винтов 12, показание веса фиксируется на электронном цифровом экране 10. Скорость воздуха, обдувающего поверхность теста, регулируется с помощью автотрансформатора 19, изменяющего напряжение на электродвигателе 13 вентилятора 15. Температура воздуха регулируется с помощью автотрансформатора 18, изменяющего напряжение на электроспирали 17. Воздух направляется на образец благодаря установке вентилятора в цилиндрическом корпусе 14. Цилиндр 4 позволяет помещать в него тесто с толщиной слоя до 70 мм.
Измерение температуры воздуха по сухому и влажному термометрам производились с помощью мультиметров М-838 фирмы "Mastech". Погрешность измерений 0,5С. Использовались весы электронные типа ПВ-6, фирмы АО «Масса-К» (С. - Петербург), мощностью 15 Вт, условия эксплуатации от +10С до +40С, напряжение 220 В, минимальный измеряемый вес - 20 г., максимальный - 3 кг., погрешность измерения 0,5 г. Платформа имеет размер 27 х 27 см, общая высота весов 8,5 см.
Разработанная нами установка для исследования коэффициента влагопроводности материалов ат отличается от известных ранее. Отличие её заключается в следующем:
1. Значительно интенсифицируется конвективный теплообмен на свободной поверхности исследуемого образца, вследствие обдува его вентилятором. Благодаря этому значительно сокращается продолжительность процесса.
2. В установке ведётся непрерывный контроль температуры и относительной влажности воздуха на границе со свободной поверхностью образца.
3. Установка позволяет исследовать влагопроводность материалов в широком диапазоне изменения условий теплоотдачи, благодаря возможности регулирования температуры воздуха с помощью электрической спирали 17 и изменения скорости воздуха с помощью изменения напряжения на электродвигателе вентилятора 15.
4. В разработанной установке нет верхней камеры с воздуховодами для подачи в неё воздуха. Наличие этих воздуховодов исключало возможность непрерывного и точного измерения убыли массы. Данная установка устанавливалась на весы и производился непрерывный контроль убыли влаги вследствие влагопроводности теста.
При исследовании влагопроводности опыты прекращались после наблюдения постоянной скорости убывания веса в течение определённого времени. Для нахождения поля влажности образец вынимали из цилиндра и делили на 6 частей.
Для определения коэффициента термовлагопроводности 5 необходимо знать не только распределение влажности, но и температуры по длине образца. Коэффициент термовлагопроводности определяется при постоянной начальной влажности и регулируемом перепаде температуры по длине исследуемого образца. Опыты по изучению температурного поля и поля влажности материала проводились на экспериментальной установке, схема которой представлена на рис 2.4. Задача эксперимента состояла в том, чтобы определить поля влажности в процессе нагревания. Для этого необходимо было, не нарушая процесса, измерять влажность и температуру в выбранных нескольких точках образца через определенные промежутки времени в течение всего опыта. Стационарный поток тепла через исследуемые образцы обеспечивался путем подержания постоянных температур на горячем и холодном концах образца.
Экспериментальная установка состоит из следующих элементов: фторопластовый цилиндр 1 диаметром 30 мм и длиной 150 мм с резьбой на торцах. Цилиндр закрыт с обеих сторон полыми герметичными камерами (2, 3), изготовленными из меди. Установка содержит ультратермостат 4 типа ZN-68/CZSP, через который циркулирует охлаждающая жидкость в камере 3 при постоянной температуре. Вода подается из термостата насосом 5 с помощью резиновых трубок 8, 9. Горячая жидкость может подаваться в полую камеру по трубке 6 и через трубку 7 возвращаться в термостат. Для определения коэффициента теплопроводности при температурах выше 95С, к камере 2 присоединен электронагреватель. Таким образом, один конец образца материала имел высокую температуру, а другой конец оставался при температуре холодной воды. При опыте на обоих торцах образца поддерживается постоянная, но разная температура. Общая влажность образца также остается постоянной. В цилиндре 1 через одинаковые интервалы просверлены отверстия для ввода термопар.
Исследование влагопроводности сахарного теста
Исследования проводились в соответствии с методикой, описанной в 2.2. На рис 1.4 показан общий вид экспериментальной установки, на которой исследовались ранее коэффициенты влагопроводности материалов. Недостатки этой установки описаны в главе 1. Экспериментальные исследования коэффициента влагопроводности теста сахарного печенья проводились на установке, схема которой представлена на рис 2.3. Вентилятор условно установлен сбоку установки (рис. 3.7).
Общий вид экспериментальной установки для исследования коэффициентов влагопроводности материалов без интенсивного обдува их поверхности Рис 3.7 Общий вид экспериментальной установки для исследования коэффициентов влагопроводности материалов с интенсивным регулируемым обдувом их поверхности
Влажность образца по высоте измеряли с помощью прибора Чижовой. Результаты исследований общей убыли влаги из теста представлены в табл. 3.3. Установка позволяет регулировать скорость воздуха над поверхностью материала и его температуру. Толщина образца теста в установке была 30 мм. Образец разрезали по длине на 6 частей по 5 мм. Каждую часть затем делили на 2 части с целью получения двух повторных замеров влажности частей теста. Результаты замеров массы образцов и их влажности представлены в табл. 3.4. Номера слоев даны снизу вверх.
Исследуемый материал помещается в цилиндр из органического стекла. С одной стороны он нагревается электроплиткой с регулируемой мощностью нагрева. Напряжение на плитку подается от лабораторного автотрансформатора, ток в цепи электроплитки измеряется прибором типа Ц 4317. Температура по длине образца измеряется шестью термопарами и цифровым измерительным прибором типа ИРТ 5320 (фирмы «Элемер»). Последовательное подключение термопар к измерительному прибору осуществляется с помощью переключателя. Для расчета коэффициента термовлагопроводности необходимо исследуемый образец разделить на шесть равных частей по числу точек измерения. Для этого цилиндр устанавливается вертикально на штативе. Вначале от цилиндра откручивали водоохлаждаемую камеру. За тем для сохранения постоянства внутреннего диаметра образца на резьбу накручивалось компенсирующее кольцо. Аналогично выполняли замену камеры, нагреваемую электрической плиткой, кольцом. Деление на равные части производили с помощью штока и цилиндрического шаблона. Высота цилиндрического шаблона равна шестой части исследуемого образца.
Для обеспечения объемного прогрева при выпечке, продуктов необходимо определить диапазон длин волн ИК спектра, в пределах которого продукт имеет наименьшую отражательную и наибольшую пропускательную способности. Корреляция спектральных терморадиационных характеристик материала с эмиссионными характеристиками ИК генератора излучения позволит решить указанную проблему выбора рационального типа генератора и обосновать оптимальные режимы его работы.
Терморадиационные характеристики объектов зависят от большого числа факторов: влажности и температуры, преобладающей формы связи влаги с материалом, его структуры, полей влагосодержания в объекте и т.д. Это свидетельствует о сложности проблемы исследования оптических свойств материалов и необходимости стабилизации указанных параметров во время эксперимента при большой его продолжительности. В связи с этим встает задача усовершенствования способа измерения спектральных терморадиационных характеристик.
Ю.М. Плаксин [122] предложил приставку с двумя зеркальными эллипсоидами для измерения отражательной К% и пропускательной Тх способностей различных материалов.
Пищевые продукты, в том числе и тесто для выпечки печенья, имеют вытянутую индикатрису рассеяния инфракрасного излучения. Поэтому при измерении отражательных и пропускательных способностей материалов необходимо обеспечить условие, чтобы на приемник спектрофотометра попало все отраженное или пропущенное исследуемым образцом излучение. В этом случае измеренные отражательные и пропускательные способности являются полусферическими и результаты исследований отличаются высокой точностью.
Исследование температурного поля в процессе выпечки
Температура внутри тестовой заготовки и на её поверхности является одним из основных параметров, который обуславливает протекание процесса выпечки и определяет скорость влагоотдачи теста в процессе его приготовления. На рис 4.5 представлены кривые изменения температуры в различных слоях сахарного печенья «А5!» при результирующем тепловом потоке qp=3,55KBm/м2. Из рисунка видно, что поверхностный слой теста быстро достигает температуры 100С. Далее, подъём температуры происходит с меньшей скоростью и в конце процесса выпечки температура поверхностного слоя достигает 170-180С.
Средний слой прогревается медленнее. Разность температур поверхностного- и среднего слоев постепенно увеличивается и достигает к концу процесса величины 50С. Вследствие значительной разности температур внутри печенья в нём создаётся значительный температурный градиент, который вызывает перемещение влаги из поверхностных во внутренние. Характерной особенностью кривой прогрева среднего слоя является горизонтальный участок, который наблюдается в период выпечки от 2,5 мин. Постоянство температуры обусловлено началом испарения, когда подводимая сверху теплота и проникающая тепловая радиация идут на испарение влаги. При этом испарение происходит при температуре выше 100С. Повышение температуры кипения обусловлено физико-химической депрессией сахарного раствора, которая в соответствии с рисунком равна приблизительно 7С.
Перенос тепла в первом периоде опережает перенос вещества. Подвод влаги к поверхности тепловых заготовок затруднен, вследствие термовлагопроводности. К концу первого периода температурный градиент уменьшается, однако при этом увеличивается градиент влагосодержания, вследствие миграции влаги от поверхностных слоев. Далее перемещение влаги не происходит, влажность центральных слоев остается приблизительно постоянной. Наступает период равновесия двух движущих сил. Под влиянием термовлагопроводности перемещение влаги в основном происходит в виде жидкости, однако частично влага может перемещаться и в виде пара с последующей его концентрацией в нижних слоях. При этом прогрев внутренних слоев теста интенсифицируется.
Таким образом, в первом периоде процесса выпечки массообмен влияет на теплообмен. Значительное увеличение температурного градиента в первом периоде приводит к перемещению влаги в виде пара. Последний, конденсируясь в центральных слоях, интенсифицирует прогрев их. Механизм передачи тепла теплопроводностью дополняется переносом тепла паром и конденсацией его в центральных слоях.
В конце первого периода выпечки термовлагопроводность уравновешивается влагопроводностью. Перемещение влаги не происходит. Однако скорость влагоотдачи в следующем периоде достигает значительной величины и остается постоянной. Удаление влаги во втором периоде, как показывают температурные кривые, происходит вследствие выпаривания, зона испарения постепенно углубляется внутрь печенья. Углубление поверхности испарения во втором периоде выпечки подтверждается экспериментально.
Удаление влаги из тестовых заготовок происходит испарением ее при температуре (как показывают температурные кривые) несколько выше 100С. Процесс сушки происходит выпариванием. При превращении воды в пар происходит резкое возрастание ее объема в слое теста. Это создает градиент давления внутри выпекаемого образца и увеличение его высоты. Это подтверждается кривыми изменения толщины теста-печенья, приведенными на рис. 4.10. Видно, что в начале процесса выпечки тестовые заготовки резко увеличиваются по высоте.
В первом периоде - периоде прогрева наблюдается быстрый распад углекислого аммония при температуре близкой к 60С. За счет образовавшихся газов происходит разрыхление теста. При температурах порядка 80С происходит разрыхление углекислотой также в результате разложения второго основного химического разрыхлителя - бикарбоната натрия.
Чтобы избежать переналадки газовой печи и изменения продолжительности пребывания в ней печенья другого ассортимента (другого рецептурного состава, с увеличенной или уменьшенной толщиной тестовой заготовки, с нанесенными сыпучими слоями и др.), тестовая заготовка должна быть прогрета соответствующим образом.
Это достигается благодаря использованию для нагрева тестовой заготовки инфракрасного излучения в форкамере предварительного нагрева. Инфракрасные лучи проникают вглубь печенья практически на всю его толщину.
Исследования в [38] показали, что в начале выпечки инфракрасными лучами на глубине 1 — 2,5 мм устанавливается более высокая температура, чем на открытой поверхности. Это объясняется тем, что инфракрасные лучи проникают в толщу поверхностных слоев, а открытая поверхность тестовой заготовки отдает тепло в окружающую среду. Температура среды в камере при этом не превышает 80 - 100С. [38].
Продолжительность нагрева тестовой заготовки в инфракрасной форкамере зависит от ее толщины и других указанных выше факторов. За период порядка 1 минуты внутренние слои тестовой заготовки могут быть прогреты приблизительно до 80С, в то время как поверхностный слой также может иметь температуру около 80С, что зависит от температуры среды. Поскольку ассортимент выпекаемых мучных изделий очень большой, то для каждого сорта требуется индивидуальный режим прогрева в инфракрасной форкамере. Чтобы обеспечить при произвольной толщине тестовой заготовки заданные температуры в центре и на ее поверхности, инфракрасная форкамера оборудуется вентилятором для регулирования температуры ее среды. Благодаря обдуву, в случае необходимости, поверхности тестовой заготовки воздухом, соответствующей температуры, внутри ее можно обеспечить аномальное распределение температуры: в центре тестовой заготовки температура может быть выше, чем на поверхности.
