Исследование реологической модели макаронного теста для аддитивного производства

Экструзия – один из наиболее универсальных и хорошо зарекомендовавших себя промышленных процессов, используемых сегодня в пищевой промышленности. Он все чаще применяется во всем мире для производства постоянно расширяющегося списка продуктов питания и кормов, включая закуски, крупы,

макаронные изделия, текстурированные растительные белки и корма для животных. Процесс обычно включает преобразование состава на основе пластифицированного биополимера в однородно обработанную вязкоупругую массу, которая подходит для формования.

Процесс экструзии можно разделить на два основных типа. Во-первых, экструдирование

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License без варки или формование, когда давление, создаваемое шнеком, перемещает материал к формующей матрице. Во-вторых, варочная экструзия, которая, как следует из названия, включает в себя приготовление сырых ингредиентов за счет комбинированного действия тепла, механического сдвига и давления [1].

Процесс производства макаронных изделий (формовочная экструзия) можно считать устоявшейся технологией. Хотя развитие знаний насчитывает много веков, а промышленные предприятия для непрерывной обработки в основном не изменились, механизмы, задействованные в преобразовании манной крупы в макаронные изделия путем добавления воды и применения механической и тепловой энергии, полностью не исследованы. Более того, взаимосвязь между параметрами обработки и качеством продукции полностью не изучена [2].

Литература по экструзии макаронных изделий весьма ограничена и в основном сосредоточена на сырье, процессе сушки и качестве конечных продуктов [3, 9].

Во многих исследованиях основной целью был выбор наиболее подходящих сортов твердой пшеницы путем оценки их характеристик при переработке растительного сырья или измерения физико-химических изменений, испытываемых компонентами [10].

Самому процессу уделялось очень мало внимания, и исследования по одношнековой экструзии практически ограничивались варкой при экструзии. Лишь совсем недавно процесс экструзии рассматривается в разрезе формования пищевых продуктов при аддитивной технологии [4, 6, 11, 12].

Процесс экструзии в пищевой 3В-печати - это управляемый цифровым способом, роботизированный конструкторский процесс, который позволяет создавать слой за слоем сложные 3D-пищевые объекты. Он начинается с загрузки материала, выдавливания из сопла контролируемым образом, перемещения потока материала по заданному пути и в конечном итоге склеивания нанесенного слоя с образованием когерентной твердой структуры [7, 13].

В процессе экструзии реологические свойства материалов имеют решающее значение для обеспечения надлежащей экструдируемо-сти, связывания различных слоев пищевых продуктов вместе и поддержания веса осажденных слоев [8].

Цель работы - получение экспериментальных данных о реологических свойствах макаронного теста с целью разработки модели численного моделирования процесса аддитивного производства макаронных изделий. Понимание такой связи позволяет нам прогнозировать

Материалы и методы

Материалом, использованным в эксперименте, была манная крупа и цельнозерновая мука из твердых сортов пшеницы. На образцах теста, приготовленных в лаборатории, исследовали различное содержание влаги с целью выяснить взаимосвязь между влажностью и поведением теста. Манную крупу смешивали при 25° C с водой при требуемом уровне гидратации в течение 15 минут с использованием бытового миксера. Макаронное тесто было гидратировано до влажности 30, 32 и 34% и отформовано с использованием лабораторного экструдера, круглые матрицы которого придавали форму спагетти. Для определения влажности использовалась методика AACC [5].

Перед измерениями все тесто выдерживали в пластиковом корпусе на 20 минут при комнатной температуре.

Испытания на ползучесть проводились на образцах с приложением напряжения сдвига 30 Па в течение 3000 с, так как этого времени было достаточно для достижения состояния постоянной скорости сдвига для последней части испытания. Выбранное напряжение сдвига (ниже критического значения) было основано на совпадении кривых податливости ползучести, полученных при различных напряжениях. Испытания на ползучесть были получены на трех отдельно замешанных кусках тестах для каждого образца.

Для измерения реологических свойств макаронного теста использовали капиллярный вискозиметр. Ингредиенты смешивали в течение 1 минуты в смесителе, а затем загружали в вискозиметр, который был предварительно нагрет до 45 °C, температуры, при которой обычно происходит экструзия макаронных изделий. Температура контролировалась тремя нагревателями по всей длине цилиндра, диаметр которого составлял 24 мм, и для его заполнения требовалось около 88 г. материала.

Поршень вискозиметра был приведен в соприкосновение с тестом для стадии предварительной подготовки. Тесту позволили отдохнуть в цилиндре в течение трех минут, чтобы оно расслабилось и уравновесилось при температуре 45 °C без значительной потери влаги. Эксперимент проводился путем измерения давления экструзии, необходимого для выдав-ливаниятеста при скоростях поршня 21,4; 52,6; 129,8 и 320 мм/мин. После основной температуры реологические измерения проводились при 20; 30 и 40° C.

При обработке теста из манной крупы как чисто вязкого материала к образцам прикладывали увеличивающуюся скорость сдвига и измеряли напряжение сдвига в различное фиксированное время для получения кривой течения.

Результаты и обсуждения

Результаты испытания на ползучесть представлены на рисунке 1, где в качестве меры повторяемости можно видеть, что кривые, относящиеся к разным повторениям, перекрываются в масштабе графика.

Самый первый сегмент кривой, который является наклонным, представляет собой упругую реакцию на импульс силы, а конец кривой представляет установившийся поток. Как уже было замечено в [17], вязкость теста из манной крупы стремится к вязкости при нулевом сдвиге при скоростях сдвига менее 10-5 с-1.

Испытание подтвердило вязкоупругое поведение макаронных изделий, но важным наблюдением для целей настоящего исследования является то, что упругая составляющая деформации очень мала по сравнению с условиями текучести. Как следствие, экструзия может быть изучена для инженерных целей со ссылкой на модели чистого вязкого течения.

Кривые текучести теста представлены на рисунке 2 для различных значений температуры. Примечательно, как напряжение сдвига уменьшается при более высоких температурах при той же скорости деформации. Кроме того, при более низкой скорости деформации был достигнут режим установившегося потока.

1,4

£•3

р 0,8

п. "О 0,6

0,4

0,2

0  500 1000 1500 2000 2500 3000

Время, с Time, s

Рисунок 1. Зависимость угловой деформации макаронного теста от времени воздействия

• Figure 1.    Dependence of the angular deformation of the pasta dough on the exposure time

  

  0 0,2 0,4 0,6 0,8  1  1,2 1,4 1,6 1,8 2

  Скорость сдвига, с-1

  Shear rate, s-1

  20°С      30°С      40°С

  
  

Рисунок 2. Зависимость напряжения от скорости сдвига при различной температуре

• Figure 2.    Dependence of stress on shear rate at different temperatures

Данные о напряжении сдвига и скорости сдвига, полученные с помощью капиллярного вискозиметра и скорректированные с использованием формулы Рабиновича, были адекватно описаны моделью степенного закона. Форма кривой кажущейся вязкости (рисунок 3), указывает на то, что тесто для макаронных изделий представляет собой псевдопластичную жидкость [9, 16].

Псевдопластическое поведение при сдвиге, наблюдаемое в тесте, объясняется макромолекулярными характеристиками белковых молекул. При низких скоростях сдвига молекулы белка расположены случайным образом, но при высоких скоростях сдвига они выравниваются в направлении сдвига, тем самым снижая вязкость теста [18, 19].

Скорость сдвига, с ^-1

Shear rate, s ^-1 30%      32%      34%

Рисунок 3. Зависимость кажущейся вязкости от скорости сдвига при различной влажности

• Figure 3.    Dependence of the apparent viscosity on the shear rate at different humidity

Значения коэффициента консистенции, приведенные в модели степенного закона, варьировались в диапазоне от 222,1 кПа сn, для 30%, и 68,2 кПа сn для 34%. Наблюдается уменьшение значения коэффициента консистенции с увеличением степени гидратации теста с 30 до 34%. На индекс текучести также влияла влажность теста. Общее значения индекса текучести варьировалось от 0,284 для 30% и 0,404 для 34%, т. е. наблюдалось его повышение с увеличением содержания влаги.

Коэффициент консистенции и индекс текучести являются параметрами, которые отражают реологические свойства теста при его экструзии в капиллярном вискозиметре. Уменьшенные значения коэффициента консистенции при увеличении влажности теста с 30% до 34% указывают на то, что вода является пластификатором, который уменьшает консистенцию теста и увеличивает его текучесть, облегчая экструзию теста. Индекс текучести – это безразмерное число, которое указывает на уровень неньютоновского поведения теста. Чем дальше, тем больше значение жидкости равно 1, тем более неньютоновское поведение демонстрирует жидкость. Вода является ньютоновской жидкостью, поэтому, как и ожидалось, значения индекса текучести для данной рецептуры теста приближалось к 1 по мере увеличения содержания влаги в тесте.

Истинная скорость сдвига, при которой образцы экструдировались, составляла 41,6 с–1, для 34%, и 90,8 с–1, для 30%. Эти значения содержались в диапазоне скоростей сдвига, при которых тесто экструдировалось в капиллярном вискозиметре, что позволило рассчитать кажущуюся вязкость макаронного теста при помощи моделей, созданных вискозиметром.

Результаты показали, что на кажущуюся вязкость теста для макаронных изделий в значительной степени влияют состав и уровень гидратации теста. Чем выше содержание влаги в тесте, тем ниже кажущаяся вязкость экструдата.

Традиционное тесто для макаронных изделий, состоящее из 100% манной крупы, обычно гидратируется до влажности 32%, и поэтому кажущаяся вязкость этой рецептуры-гидратация теста будет использоваться в качестве контрольного значения, отмеченного на рисунке 4 горизонтальной линией. Согласно рисунку 4, оптимальный уровень гидратации рецептуры смеси манной крупы и цельнозерновой муки из твердых сортов пшеницы для проявления такой же кажущейся вязкости, как у традиционного теста для макаронных изделий, составлял бы от 32 до 34%.

Уменьшение кажущейся вязкости теста при повышении уровня гидратации отражает пластифицирующее действие воды на реологическое поведение теста в условиях экструзии. Кажущаяся вязкость теста напрямую зависит как от значений коэффициента консистенции, так и от индекса текучести. Поскольку коэффициент консистенции и индекс текучести зависели от уровня гидратации, как обсуждалось ранее, ожидалось, что кажущаяся вязкость теста будет реагировать также.

Отображение значений кажущейся вязкости, показанных на рисунке 4, позволяет визуально сравнить значения кажущейся вязкости от уровня гидратации по отношению к эталонному образцу, где горизонтальная линия указывает на уровень образца при влажности 32%.

Исследуемые образцы показали более высокие значения кажущейся вязкости, чем эталонный образец, даже при 32% гидратации. Фракции отрубей поглощали воду, поэтому им требуется больше воды, чтобы демонстрировать такое же реологическое поведение, как у контрольного образца.

Реологическое поведение, проявляемое тестом в экструдере для макаронных изделий, следовали той же тенденции, что и поведение теста, отображаемое на капиллярном вискозиметре. За счет повышения уровня гидратации тесто стало более податливым и текучим, что уменьшило давление экструзии, необходимое для выдавливания теста.

30         32         34

Степень гидратации, %

Moisture, %

Образец     Эталон

cd

«   400

Рисунок 4. Зависимость кажущейся вязкости макаронного теста от степени гидратации

• Figure 4.    Dependence of the apparent viscosity of the pasta dough on the degree of hydration

В экструдерах для макаронных изделий давление экструзии является результатом взаимодействия скорости шнека, температуры и гидратации муки. Поскольку скорость вращения шнека и температура поддерживались постоянными во время процесса экструзии, изменение значений давления отражает эффект гидратации теста.

Заключение

Поведение теста для макаронных изделий, наблюдаемое во время экструзии макаронных изделий, может быть объяснено реологическими исследованиями, проводимыми с помощью капиллярного вискозиметра. На коэффициент консистенции и показатель текучести, рассчитанные после экструзии теста, сильно повлияли изменения уровня гидратации и рецептура теста. Оценка кажущейся вязкости теста при экструди-ровании теста в лабораторном экструдере для макаронных изделий может быть определена благодаря данным, предоставленным капиллярным вискозиметром. Сильная корреляция, обнаруженная между кажущейся вязкостью теста и параметрами экструзии макаронных изделий, указывает на возможность использования экструзионного 3D-принтера для производства макаронных изделий [20].

Разработанная реологическая модель макаронного теста будет использоваться для моделирования поведения потока при печати в 3D-принтере экструзионного типа с помощью технологии вычислительной гидродинамики.