Механоактивация водных растворов как способ улучшения перемешивания и структурообразования в дисперсных системах

Хлеб в России – это не просто продукт питания, хлеб стал частью идентичности россиян, определяющей качество жизни. Традиции производства хлеба обоснованы требованиями к постоянству качества готовых изделий, стабильности его потребительских свойств, обусловленных пищевыми предпочтениями человека и национальными особенностями потребления.

В настоящее время всё большее значение приобретает идея «бережливого производства», сформулированная еще Генри Фордом и развитая сотрудником компании Toyota Тайити Оно (работал в компании с 1943 года). Важнейшая характерная черта «бережливого производства» – снижение стоимости производства при сохранении стоимости и качества продукта для потребителя.

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License

Процесс приготовления теста - один из самых сложных в технологии производства хлеба. Перемешивание муки, удельная поверхность которой составляет 280-350 м2/кг, с жидкими компонентами (водой, водными растворами), когда количество вносимой влаги составляет менее 700 мл на 1 кг муки, представляет собой сложный процесс поверхностного взаимодействия, связанный с преодолением поверхностной энергии на границе взаимодействия фаз. Интенсивность образования однородной смеси муки и жидких компонентов, в последующем превращаемая в тесто, определяет его структурномеханические свойства. Исследователями (И.В. Матвеева, Л.Ю. Лаврова, Н.В. Сокол, Е.Ю. Егорова, Е.И. Пономарева и другие) [1-6] изучалось влияние добавок на структурномеханические свойства теста и качество хлеба. Применяли поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые влияли на процесс перемешивания и образования однородной смеси. Тесто с добавками отличается улучшенными деформационными характеристиками (эластичность, газоудерживающая способность и пр.), но экономически не выгодны и могут использоваться преимущественно для специальных видов продукции. В качестве улучшителей теста применяли ферменты, которые воздействовали на белково-углеводный комплекс теста, что повышало не только пищевые, но и структурно-механические показатели. Современным направлением можно считать электроактивирование водных растворов.

Однако вышеперечисленные методы либо изменяют состав продукта, либо изменяют его традиционное качество. Влияние предварительных механических воздействий на компоненты теста и, в первую очередь, на водные растворы, перед их механическим соединением с мукой, изучено, на наш взгляд, недостаточно.

В научно-технической литературе широко освещены особенности процесса механо-химической активации твердофазных дисперсных систем [7-10]. Активация выражается в значительном повышении кинетики массообменных процессов на границе взаимодействия фаз, особенно в системах Т-Ж. Происходит ускорение процессов адсорбции, растворения, экстракции и прочих. Сущность механоактивации твердых тел заключается в разрыве некоторого количества межмолекулярных связей как внутри материала, так и на его поверхности при образовании новой поверхности при разрушении (или образовании трещин), сдвиге в объеме материала, деформаций поверхности (как упругих, так и пластических), трении о поверхность тел и прочее. Для материалов, относящихся к неньютоновским жидкостям и проявляющим тиксотропию (обратимую и необратимую) при сдвиге в их слоях также можно применить термин «механохимическая активация», поскольку ускоряются массообменные процессы в таких средах [11-13]. Известно также, что время, когда материал механоактивирован, ограничено и зависит от многих факторов.

В последнее время исследователи обратили внимание на характерные изменения структуры воды и водных растворов под воздействием механических воздействий - перемешивания [14-17]. Изучались изменения в структуре дистиллированной воды, [18, 19] суспензий с цементным вяжущим, [20] эмульсии технологических жидкостей и буровых растворов [21, 22] и пр. Процесс взаимодействия механоактивированной воды и сыпучего материала, а также влияние предварительной механической подготовки воды и ее растворов, на наш взгляд, изучены недостаточно.

Цель работы - теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение влияния предварительной механической обработки жидких компонентов на процесс перемешивания теста и структурообразование воднодисперсной системы.

Методы

В аналитической части проведены теоретические исследования процесса поверхностных контактов «жидкость-твердое (сыпучее) тело» с применением основных уравнений термодинамики. Процесс поверхностного взаимодействия описывает равенство Юнга:

О т = о_тж + о_жcosф , Дж        (1)

где о_т - поверхностная энергия твердого тела, Дж; о_ж - поверхностная энергия жидкости, Дж; σ – поверхностная энергия на межфазной границе Т-Ж, Дж; cos ф - косинус видимого угла смачивания. Работу поверхностного взаимодействия (адгезия) на границе Т-Ж показывает уравнение Дюпре:

WA = ОТ + ОЖ — ОТЖ , Дж(2)

где Wa - работа адгезии в обратимом процессе, Дж.

Соотношение (1) и (2) дает зависимость для работы адгезии:

WA = ОЖ (1 + С08Ф) , Дж(3)

Удельная обратимая работа когезии WK :

Wk = 2Ожг, Дж(4)

Отношение работ адгезии и когезии

WaWk =(cosФ + 1)/2 ,(5)

откуда следует, что стремление ф к нулю обеспечит максимальное смачивание, а значения энергий W и W должны стремиться друг к другу.

Разница между W и W дает коэффициент растекания S:

^S = W A ^-W K = ° Ж ( ^C0SФ + 1 ) ² ° ЖГ , ДЖ (6)

Энергия взаимодействия на границе «твердое тело – жидкость» иллюстрируется рисунком 1.

Рисунок 1. Сгущение энергии на границе взаимодействия «твердое тело – жидкость»

Figure 1. Energy densification at the boundary of solidliquid interaction

Из вышеизложенного следует, что поверхностную энергию взаимодействия σ необходимо снижать каким-либо способом и при этом:

° T >  ° Ж , Дж             (7)

Если же силы отталкивания на поверхности взаимодействия «субстрат–адгезив» высоки, то простейшим способом может быть повышение механической энергии перемешивания компонентов для преодоления этих сил. Но есть другой подход – снижение поверхностной энергии жидкости механоактивацией. Исследователями показано, что любое внешнее воздействие на жидкость приводит к изменению ее свойств. Сдвиг в слоях жидкости приводит к разрушению внутренних связей, накоплению внутренней энергии. Такой процесс можно идентифицировать как механоактивацию, поскольку происходит изменение как внутренней энергии в дисперсной системе, так и поверхностного натяжения на границе Ж-Г. Таким образом, энергия активации жидкости – это энергия, затраченная на сдвиговые деформации в ней.

Основываясь на этом предположении, можно записать:

Е а = Е - Е о , Дж           (8)

где Е а – энергия механоактивации жидкости, Дж; Е 0 – внутренняя энергия до механоактивации, Дж; Е – внутренняя энергия механоактивированной жидкости, Дж.

Рассмотрим сдвиговое течение жидкости с постоянной (ньютоновской) вязкостью. Линейный закон вязкого течения Ньютона можно записать в виде d F = п — d S,           (9)

dx где dF – сила внутреннего трения на элементарной площадке, Н; η – коэффициент динамической вязкости, Пахс; dv / dx - градиент скорости движения слоев в направлении, перпендикулярном к поверхности слоев (скорость сдвига); dS – площадь элементарной площадки, м2.

Представим через кинематическую вязкость силу внутреннего трения в жидкости:

d f = ^п _ d ( v ) d ₅ = v ОД d ₅ , н   (io)

p d x       d x где ρ – плотность вещества, кг/м3; υ – коэффициент кинематической вязкости, м2/с.

В термодинамическом аспекте коэффициент вязкости есть мера диссипации механической энергии или мера рассеяния в тепло механической энергии движущейся жидкости. Эту энергию можно трактовать как работу механоактивации жидкости, представим её выражением:

d FR„„  n d( ^     d U

А_ма =      пр = ^{п (} ) d S' = v ⁽ ) d S ', Дж (11)

ма to p todx       todx где ω – угловая скорость вращения механоактиватора, с-1.

Определение удельной обратимой работы когезии W (выражение 4) и (11) дают в совокупности математическую модель работы механоактивации воды.

Работа dA по изменению поверхности когезионного взаимодействия в жидкости на dS совершается за счет изменения потенциальной энергии dW ps :

dA = dW„= ^ dS ,        (12)

ps    ж

Таким образом, работа, затрачиваемая на перемешивание, тождественна работе механоактивации и по своей природе является работой преодоления сил когезии в материале (выражение 4).

В экспериментальной части работы использовались следующие материалы: мука пшеничная первого сорта с показателями по ГОСТ 26574– 2017; вода питьевая по СанПиН 2.1.4.107–01.

Для экспериментальных исследований применялись: структурометр СТ-2, анализатор влажности МХ-50, прибор измерения вязкости «Реотест», конический пластометр Ребиндера, метод капиллярного поднятия для определения поверхностного натяжения жидкости с использованием капилляра диаметром 0,6 мм. Перемешивание водных растворов и теста проводили в экспериментальной установке, включающей миксер бытовой Gemlux с процессной емкостью

3 литра и дискретным переключением скоростей вращения мешалки. В качестве мешалки для водных растворов использовали венчиковую насадку, применяемую для взбивания. При перемешивании теста применяли якорную мешалку с планетарным движением. Мощность перемешивания регистрировалась ваттметром и показания которого фиксировались видеосъемкой и оформлялись в таблицах.

Результаты и обсуждение

Проведена серия экспериментов по изучению влияния перемешивания на поверхностную энергию воды и водных растворов. Получали зависимости параметров от времени перемешивания воды и при разной частоте перемешивания (100 и 180 оборотов в минуту).

В начале перемешивания высота подъема воды в капилляре (рисунок 2) в промежутке времени до 600 секунд уменьшается, а затем переходит в нестабильную область. Снижение высоты подъема воды в капилляре – прямое подтверждение падения поверхностной энергии воды в первые 10 минут процесса (рисунок 2 а) на 30–40%. Затем происходит нестабильный рост высоты столба жидкости, что связано с изменением ее структуры. Заметна разница поверхностных энергий воды дистиллированной и питьевой бутилированной («Бердовская таежная» Свидетельство о государственной регистрации № RU.42.21.01.006.Е.000032.04.11 от 21 апреля 2011). Перемешивание воды, содержащей ионы, состав которых определяется местом происхождения, снижает поверхностное натяжение значительно быстрее.

(a)

0    300   600   900

Время, t, с | Time, t, s

22    23    24    25

T, ℃

(b)

(c)

Рисунок 2. Зависимости высоты (h) столба воды в капилляре 0,6 мм от времени перемешивания: (a) – перемешивание дистиллированной воды при частоте 100 мин ^-1 ; (b) – перемешивание питьевой бутилированной воды при частоте 100 мин ^-1 ; (c) – зависимость высоты подъема воды в капилляре от ее температуры при перемешивании, мм

Figure 2. Dependences of height (h) of water column in 0.6 mm capillary on stirring time: (a) - stirring of distilled water at frequency 100 min-1; (b) - stirring of drinking bottled water at frequency 100 min-1; (c) - dependence of height of water rise in capillary on its temperature during stirring, mm

На графике (рисунок 2 в) показана зависимость высоты столба в капилляре от температуры воды, изменяющейся при перемешивании. Как видно, для механоактивированной воды понижение температуры не дает эффект повышения поверхностного натяжения. Как долго сохраняется пониженная поверхностная энергия воды после механической активации показывает график на рисунке 3. Для дистиллированной воды достаточно одной минуты для восстановления свойств, характерных состоянию покоя.

Сделан вывод, что использовать механо-активированную воду для технологических процессов нужно в течение ближайших 60 с. Время, достаточное для механоактивации – до 120 с.

Исследовались поверхностные свойства растворов воды, применяемых при замесе теста в производстве. Для составления растворов использовались соотношения, соответствующие хлебопекарному тесту для производства хлеба «Кемеровский».

0          50         100         150

Время, t, с | Time, t, s

Рисунок 3. Зависимость высоты столба воды дистиллированной в капилляре 0,6 мм от времени после механоактивации в состоянии покоя

Figure 3. Dependence of distilled water column height in a 0.6 mm capillary on time after mechanoactivation in the resting state

На рисунке 4а представлены результаты измерений высоты подъема раствора NaCl в капилляре диаметром 0,6 мм. Поверхностное натяжение для раствора соли падает значительно быстрее по сравнению с водой дистиллированной. Минимум достигается через 120–180 с перемешивания. А через 120 с поверхностная энергия снижается уже на 30%.

Исследовали поверхностные свойства 1%-го раствора муки при перемешивании. Результаты измерений показаны на рисунке 4б. Высота столба раствора в капилляре в начале процесса резко падает, снижаясь в первые 60 с на 40%, затем немного увеличивается, но сохраняет пониженное значение. Повышение концентрации муки в воде не дало эффекта снижения поверхностного натяжения. Но при увеличении времени перемешивания поверхностная энергия росла в большей мере, чем для 1%-го раствора.

В практике при замесе теста применяют подготовленные солевые растворы. В связи с этим были проведены эксперименты по измерению поверхностной энергии при перемешивании 3,3%-го раствора NaCl с 1% муки. Результаты представлены на рисунке 4в.

Время, t, с | Time, t, s

• (a) (b) (c)

Рисунок 4. Зависимости высоты подъема водных растворов в капилляре диаметром 0,6 мм от времени перемешивания: (a) – раствор 3,3% NaCl; (b) – водно-мучная суспензия с концентрацией муки 1%; (c) – водный соляно-мучной раствор в указанной концентрации

Figure 4. Dependences of the height of rise of aqueous solutions in a capillary with a diameter of 0.6 mm on the mixing time: (a) - solution of 3.3% NaCl; (b) - water-flour suspension with flour concentration of 1%; (c) - aqueous salt-flour solution in the specified concentration

Минимальное значение высоты столба раствора в капилляре соответствовало времени перемешивания 60–100 с. Снижение поверхностной энергии раствора составило около 20%.

В лабораторных исследованиях мука и вода перемешивались в соотношении, принятом для хлебопекарного теста, соответствующего технологии хлеба формового «Кемеровский» из пшеничной муки первого сорта, производимого безопарным способом. При замесе использовались мука пшеничная первого сорта и вода водопроводная. Выбрана постоянная скорость вращения мешалки 100 об/мин. Механоактивация воды производилась в емкости для замеса при числе оборотов мешалки 100 об/мин в течение 100 с. Графики зависимостей представлены на рисунке 5.

Для смеси с механоактивированной водой мощность в начальном этапе не падает, активно проявляется поверхностное взаимодействие воды с частицами муки и с 30 с по 50 с происходит стабилизация. Мощность не растет, наблюдается повышенная эластичность смеси. Дальнейшее перемешивание не приводит к снижению мощности, что свидетельствует о сформи-рованности каркасной клейковинной структуры теста и его повышенной эластичности. Очевидно, что замес теста с механоактивированной водой надо заканчивать через 50–60 с. Перемешивали муку с предварительно подготовленной воднодисперсной 1%-й смесью муки и воды. В начальной стадии замеса мощность возрастает незначительно, кривая на графике выходит на плато.

Время, t, с | Time, t, s

—X— Nуд-вод м-а     Nуд-контр     Nуд-сусп.м

Рисунок 5. Зависимости удельной мощности на перемешивание от времени для контрольного образца (Nуд-к), образца с механоактивированной водой (Nуд-вод-м-а) и образца с механоактиви-рованной мучной суспензией (Nуд-сусп. м)

Figure 5. Time dependences of specific stirring power for control sample (Nud-k), sample with mechanically activated water (Nud-water-m-a) and sample with mechanically activated flour suspension (Nud-susp. m)

Затем мощность на перемешивание несколько превышает мощность при замесе с механоактивированной водой, что говорит о формировании более прочной структуры теста, при этом повышенная эластичность сохраняется, разрушения структуры не наблюдается. Мощность перемешивания ниже контрольной на 30–40%. Анализ графика говорит о том, что замес должен быть остановлен через 40 с.

Оценивали качество теста после замеса. Предельное напряжение сдвига (ПНС) теста измеряли коническим пластометром и рассчитывали по известной методике. Исследование ПНС проводили сразу же после замеса и через временной промежуток в 600 секунд.

Анализ результатов эксперимента (рисунок 6) подтверждает факт повышения структурной прочности теста экспериментального. Причем для экспериментального образца ПНС со временем снижается, что можно объяснить релаксацией напряжений во времени. Для контрольного же образца ПНС сразу же после замеса был ниже почти в два раза, а затем шло его нарастание, причем через 600 секунд разница в ПНС составила не более 20%. Это говорит о том, что структура теста формировалась в состоянии покоя после перемешивания, что говорит о необходимости своевременного прекращения механического воздействия на смесь.

жения сдвига σ о (Па) теста сразу после замеса и через 600 с после замеса (К – контроль; Оп – опытный замес)

Figure 6. Measurement results of shear stress σ o (Pa) of dough immediately after kneading and 600 s after kneading (K - control; Op - experimental kneading)

Результаты эксперимента (рисунок 6) позволяют сделать вывод о том, что при контрольном перемешивании структура теста не сформировалась в полной мере и со временем происходит её упрочнение (увеличение ПНС за время наблюдений до 20%). В пробе экспериментального образца ПНС сразу же после замеса превышало контрольный в два раза и при отлёжке несколько снижалось, что свидетельствует о протекании релаксации напряжений после сдвиговых деформаций в процессе замеса. В пробе экспериментального образца ПНС сразу же после замеса превышало контрольный в два раза и при отлёжке несколько снизилось, что свидетельствует о протекании релаксации напряжений после деформации. Следовательно, белковый каркас теста упрочняется. На струк-турометре СТ-2 изучали адгезию теста и релаксацию напряжений в тесте (рисунки 7 и 8) показало снижение адгезии и повышение модуля упругости до 20%.

plate travel time, s

Рисунок 7. Зависимости тангенциального усилия адгезии контрольного (1) и экспериментального (2) образцов

Figure 7. Dependences of tangential adhesion force of control (1) and experimental (2) samples

- M

2 S

s - s

,o

Q

Усилие релаксации контр F,г Relaxation force of counter F,g Усилие релакс эксперF,г ExpertF relaxation force,g

Рисунок 10. Кинетика сушки теста пшеничного при температуре 103о: 1 н.а. и 2 н.а. – для теста с неактивированной водой непосредственно после замеса и через 45 мин.; 1 а. и 2 а. – с активированной водой и с интервалом времени в 45 мин

Figure 10. Drying kinetics of wheat dough at 103o: 1 n.a. and 2 n.a. - for dough with unactivated water immediately after kneading and after 45 min; 1 a. and 2 a. -with activated water and at 45 min intervals.

Время, t, с | Time, t, s

Исследования перемешивания в произ-

Рисунок 8. Зависимости релаксации напряжений в тесте контрольного и экспериментального образцов Figure 8. Dependences of stress relaxation in the test of control and experimental specimens

Исследовалось влияние механоактивации воды на водосвязывающую способность (ВСС) теста. Образцы подвергали высушиванию с температурой (103о±2). Эксперименты проводились с помощью анализатора влажности МХ-50.

Высушивание образцов производилось непосредственно после замеса и по истечении 45 минут (рисунок 9). Построены графики кинетики сушки dW/dt = f(dW) (рисунок 10). Установлено, что механоактивация воды перед перемешиванием повышает влагосвязывающую способность на 10–12%, причем ВСС, находящегося в покое после замеса на 7–10% выше после выдержки теста.

Рисунок 9. Зависимости влагоудаления при сушке теста с температурой 103о: 1 н.а. и 2 н.а. – для теста с неактивированной водой непосредственно после замеса и через 45 минут; 1а. и 2а. – с активированной водой и с интервалом времени в 45 мин

Figure 9. Dependences of moisture removal during dough drying at 103o: 1a. and 2a. - for dough with unactivated water immediately after kneading and after 45 min; 1a. and 2a. - with activated water and at 45 min intervals водственных условиях проводились на тестомесильном оборудовании 1-го и 4-го хлебозаводов ООО «Кузбассхлеб» в технологических линиях производства хлеба «Кемеровский» и сушки «Кемеровская». Результаты измерения затрат мощности при перемешивании теста в тестомесильной машине Г4-МТМ-330–01 представлены на рисунке 11.

Практически сразу мощность перемешивания в экспериментальном замесе стала превышать мощность при контрольном замесе. Это говорит о значительном опережении формирования однородной структуры теста и начала гидролитического взаимодействия воды и частиц муки. Уже после 120 с мощность перемешивания стабилизировалась. А по истечении 240 с произошло значительное нарастание мощности более чем на 1,5 кВт, что можно объяснить возросшей прочностью клейковинного каркаса теста. В контрольном перемешивании третья стадия замеса наступила после 300 с, и после 500 с мощность перемешивания стала падать, что говорит о начале разрушения клейковинного каркаса.

Исследования теста на приборе «Rhеоtеst» (рисунок 12) показало, что при сдвиговом течении напряжения в экспериментальном образце превышают на 20% напряжения контрольного образца.

По результатам можно сделать вывод, что предварительная механоактивация воды повышает эластичность теста при перемешивании, мощность при этом снижается до 20% за счет снижения удельной мощности на перемешивание и сокращения времени процесса.

Определение влияния механоактивации воды на свойства маловлажного теста проведены в тестомесильной машине ТМ-63 на 4-м хлебозаводе г. Кемерово в линии производства сушки «Кемеровская». Результаты представлены на рисунке 13.

Наблюдается заметное снижение мощности перемешивания для образца с механоактивиро-ванной водой. А после пересечения графиков сопротивление перемешиванию начинает нарастать. Это говорит о сформированности структуры теста и необходимости прекратить процесс механического воздействия. Измеряли ПНС теста после замеса (рисунок 14) коническим пластометром Ребиндера. Установлено, что структура экспериментального образца формируется лучше и при меньших затратах энергии, а прочность её выше, чем у контрольного образца, на 20%.

Время перемешивания, с Mixing time, s

Рисунок 11. Зависимости мощности на перемешивание теста контрольного и экспериментального образцов в тестомесильной машине Г4-МТМ-330–01

Figure 11. Power dependences for dough mixing of control and experimental samples in the dough mixer G4 MTM 330-01

Рисунок 12. Зависимости напряжения τ (Па) сдвигового течения от скорости сдвига γ (с ^-1 ) для теста контрольного (без МА) и экспериментального образца (с МА)

Figure 12. Dependences of shear flow stress τ (Pa) on shear rate (s ^-1 ) for the test of control (without MA) and experimental sample (with MA)

0    100   200   300   400   500   600

Время, t, с | Time, t, s

Рисунок 13. Зависимости мощности W (Вт) от времени t (c) при перемешивании теста сушки «Кемеровская» Figure 13. Dependences of power W (W) on time t (c) during mixing of "Kemerovskaya" drying dough

Время после замеса, t, мин Time after mixing, t, min

Рисунок 14. Зависимости изменения предельного напряжения сдвига (ПНС) теста сушки «Кемеровская» после перемешивания во времени

Figure 14. Dependences of change of shear stress limit (SST) of "Kemerovskaya" drying dough after mixing in time

Заключение

Аналитически установлено, что важнейшей стадией перемешивания теста является начальная, когда происходит смачивание поверхности частиц муки водными растворами. Показана необходимость снижения поверхностной энергии водных растворов перед их перемешиванием с мукой, сделан вывод о тождественности работы когезии в жидкости работе её механоактивации, и получены выражения для ее определения.

Экспериментально установлено снижение поверхностной энергии воды и водных растворов (NaCl 3,3%, мука 1%) до 20% при перемешивании.

Показано, что для механоактивации воды и водных растворов в исследованном диапазоне скоростей достаточно 60–120 ℃.

Показано влияние механоактивации водных растворов на качество теста: структурооб-разование происходит быстрее, тесто проявляет повышенную эластичность при замесе, после замеса предельное напряжение сдвига теста

Ivanov V.V. et al. Proceedings of VSUET, 2023, vol. 85, no. 3, pp. увеличивается до 20%, вязкость теста повышается до 20%, модуль упругости теста повысился более чем на 20%, адгезия теста уменьшилась на 20%, влагоудерживающая способность повышается на 10–12%. При замесе тугого маловлажного теста для сушки «Кемеровская» в начале перемешивания мощность снижается на 15–20%, а предельное напряжение сдвига после перемешивания и выстойки в течение 20 минут превышает контрольный на 20–25%.

Рекомендовано применять предварительную механоактивацию водных растворов в промышленности в процессе подготовки к замесу и опары, и теста.