Влияние ультразвука на продолжительность процесса выработки кондитерских изделий с белково-жировыми эмульсиями при непрерывном цикле производства

В технологиях продуктов питания, в частности выпечки, применение ультразвука-привлекает все возрастающее внимание их производителей и число публикаций в патентной и научной литературе ежегодно растет [1–3]. В Вологодской области применена технология ускоренного получения жироводных эмульсий акустокавитационным методом для хлебопекарного производства [8]. При этом обнаружены преимущества от использования таких эмульсий при выпечке хлеба, а именно возрослидлитель-ность их хранения, увеличен срок нечерствения, улучшен мякиш. Обнаружена экономия до 90% растительного масла при смазывании форм. Применение эмульсий в качестве составной части рецептуры хлеба позволяет экономить более 10% растительного масла при обеспечении сбалансированной пищевой ценности продукта [3, 5]. Использование этой технологии также официально разрешено Росстандартом, Институтом питания РАМН и НИИ хлебопекарной промышленности [6, 9, 10]. Показано, что соединения, обуславливающие вкус, аромат и пищевую ценность выпечки практически не разрушаются в процессе термообработки, вследствие приобретения ими гидратных оболочек, защищающих их от термической денатурации. Известно, что мучные кондитерские изделия, например, галеты с добавлением жиров, не стойкие к окислению кислородом воздуха, особенно при воздействии светом,и требуют особых условий хранения. Применение их в полевых условиях накладывает дополнительные ограничения производства таких изделий с добавлением исключительно более стойких белково-жировых эмульсий вместо жироводных. Проведенные в данной работе эксперименты по использованию таких эмульсий для мучных кондитерских изделий, но выпеченных в присутствии ультразвука, показали еще более высокие результаты по сохранению стабильности их свойств в течение нескольких месяцев дажепри снижении потребления эмульгаторов. Улучшились также их качественные показатели: вкус и объем. При этом обнаружено, что патентуемый нами магнитно-ультразвуковой способ эмульгирования позволяет получить высококачественную, устойчивую, практически монодис-персную наноэмульсию (100 и менее нанометров), резко повышающую качество выпеченных мучных кондитерских изделий.

При выполнении исследований применялись методы сравнительного эксперимента. Для обработки экспериментальных данных были применены методы математической статистики. Экспериментальные исследования проводились в 3–5-кратной повторности. Известно, что синфазная обработка эмульсии изменяющимся магнитным и ультразвуковым полем в режиме кавитации с возникновением пульсирующих газовых пузырьков ведет к синнергическому эффекту. По данным [5, 9] под действием магнитного поля и ультразвука изменяются некоторые свойства жидкостей и теста: поверхностное натяжение, вязкость, электропроводимость, смачивающая способность, интенсифицируются ионообменные процессы и другие. Эти изменения относительно невелики и тем больше, чем выше жёсткость и содержание солей в предложенной эмульсиии тесте. Изменение свойств сохраняется в течение нескольких часов или дней, что вполне достаточно для процесса брожения и расстойки, причём повышение температуры уменьшает этот срок. Замечено, что эффективность обработки его в колеблющемся магнитном поле с частотой ультразвука возрастает по сравнению с неподвижным.

Синфазное с подвижным магнитным полем ультразвуковое воздействие распространяет в тесте импульсы давления, которые вытесняют микроскопические кавитационные пузырьки газов, причем это происходит практически без-нагреваводы, спиртов и кислот, но с частичным разрушениемих собственной структуры и изменением растворяющей способности. Указанный технический результат получен при использовании нашей заявки на изобретение № 2016117454/13 и достигается за счет того, что в способе приготовления теста используется эмульгированный жировой компонент растительного масла с водным раствором молочной сыворотки и незначительным количеством фосфатидов ультразвуковым методом с применением пульсирующего магнитного поля [18].

Приготовление кондитерского теста на активированной кавитационно-магнитным способом белково-жировой эмульсии, сопровождающееся гидратационной структуризацией белков, позволяет существенно увеличить удельный объем изделий, повысить их эластичность, замедлить черствение и сократить использование хлебопекарных улучшителей [11–15]. Под воздействием магнитного поля и ультразвука водородные связи между молекулами воды заметно нарушаются, и образуется молекулярная вода, обладающая сильными проникающими свойствами и растворяющей способностью питательных веществ. Таким образом, достаточно длительный процесс дрожжеваниясущественно ускоряется, стимулируя рост и развитие клеток дрожжей ультразвуком. Ультразвуковое воздействие повышает интенсивность брожения, улучшает качество готового продукта, снижает расход дрожжей. В тоже время, разрушенные мощным ультразвуком часть клеток сами по себе являются хорошим стимулятором развития дрожжей. Этот эффект связывают с так называемым «мортальным фактором», возникающим при разрушении клеток, стимулирующим рост и развитие остальных, оставшихся целыми клеток. Основываясь на этих представлениях, для ускорения процессов дрожжевания практически определено, что до четвертой части израсходованной суспензии, особенно находящейся в поверхностном слое теста, можно подвергать более мощному ультразвуковому воздействию, приводящему к разрушению клеток, и усиливающих процесс питания и размножения оставшихся трех четвертей дрожжей в суспензии внутри теста [10, 16].

Отмечено, что частицы жиров в ультразвуковых эмульсиях, раздробленные до весьма малых и практически одинаковых размеров, приобретают новые качества в тесте, например снижение специфического запаха и вкуса, исклю- чительно равномерное их распределениев тесте и сниженное тормозящее действие на дрожжи.

При этом стойкость эмульсии, полученной ультразвуком в «разжиженной» магнитным полем жидкости, значительно превышает стойкость систем, полученных механическим перемешиванием и сохраняют свою стабильность в выпечке в течение нескольких месяцев.

Кстати, обработка сахарно-солевых растворов в кавитационном реакторе перед смешиванием их с тестом также позволяет снизить содержание в галетах соли и сахара без изменения вкуса и пищевой ценности продукта [16]. Кроме того, нами доказано, что выработка эмульсии путем взбивания в магнитном и ультразвуковом поле, усиливающих действие друг друга и позволяющих управлять реологическими и структурными свойствами таких систем, достаточно эффективно влияет на скорость производства и качество готовых мучных изделий, особенно в пароконвектомате [17, 19].

Известно, что пароконвектомат – это многофункциональный кухонный аппарат, совмещающий в себе технологию духового шкафа, пароварки и использования режима увлажнения для придания изделиям сочности, колера и аппетитной хрустящей корочки. Все режимы могут быть использованы как сами по себе, один за другим, так и в комбинации, без перерыва на остановки. Нами экспериментально подтверждено дополнительное воздействие ультразвука в объеме печи на двухкратное сокра- щение времени, затраченного при непрерывном цикле производства на расстойку, выпечку и охлаждение кондитерских изделий с разработанной эмульсией, что экономически оправдывает объединение и автоматизацию всех процессов в одном аппарате (рисунок 1). Главное внимание при этом обращено на поддержание принятых температурных и влажностных условий прове-денияпроцессов производства мучных конди- терских изделий с непрерывным наложение-мультразвукового поляи без него. Выявлено, что необходимая температура в центре галет «Арктика» с применением белково-жировых эмульсий всегда достигалась на 25–30% раньше под воздействием ультразвука (рисунок 2), причем практически без окисления мелко диспергированных и покрытых защитной пленкой жиров. Поэтому изделия характеризуются повышенным выходом и равномерной, более темной окраской утонченной корочки, приятным ароматом.

t, ° C

Выпечка при включенном нагреве камеры с УЗВ Pastries at the included heating of the camera with UZV

Допекание и охлаждение

Расстойка

отключенном нагреве камеры с УЗВ

Baking and cooling at the ned-off heating при включенном нагревеof the camera with UZV

камеры с УЗВ(2)

proofing at the included heating of the camera with UZV(2)

at the included heating mera without UZV

Выпечка при включенном нагреве камеры без УЗВ

of the ри

Допекание и охлаждение при тключенном нагреве камеры без УЗВ ing and cooling at the turned-off heating amera without UZV

Расстойка при включенном нагреве камеры без УЗВ(1) proofing at the included heating of the camera without UZV(1)

τ, мин.

Рисунок 2. Процесс расстойки, выпечки и охлаждения галет «Арктика» в модернизированном ультразвуковым генератором пароконвектомате при постоянном его включении и без него

Figure 2. Process of a pastries and cooling of “Arktika” biscuit sin the combi steamer upgraded by the ultrasonic oscillatorincase of its constant switching on and without it

Рисунок 1. Модернизированный ультразвуковым генератором пароконвектомат и выпеченные ускоренным способом галеты.

Figure1. Upgraded by the ultrasonic oscillatorand baked by the accelerated ship's biscuit method

При этом модернизированные таким образом пароконвектоматы легко автоматизируются, сокращая трудозатраты, позволяют за счет конвекции и ультразвука поддерживать высокую производительность, тем самым существенно сокращая время получения готовой продукции, затраты на упек,электроэнергию, воду и даже экономить рабочее пространство.Эксперимен-тально доказано, что по предложенной нами технологии (рисунок 3)с применением ультразвука (затраты электроэнергии всего 3% от мощности пароконвектомата) сокращается расход воды на увлажнение до 40%, потребление электроэнергии:на 50–60% на единицу продукции. Несмотря на то, что процессы расстойки, выпечки и охлаждения идут последовательно, с плавным подъемом и падением температуры без временных перерывов, но при постоянном воздействии ультразвуком, все они интенсифицируются не только на поверхности галет, но и в объеме изделий. Также обнаружено, что паро-конвектомат за счет интенсификации прогрева и охлаждения изделий ультразвуком значительно меньше выделяет тепла в помещении, а его выход на рабочий режим расстойки занимает максимум 5 минут. Обращено внимание, что пароконвектомат, занимающий 0,80 м2и рассчитанный на 6 противней (гастроемкостей), может заменить плиту с площадью нагреваемой поверхности 1,2 м2 и объемом жарочного шкафа 0,6 м2. Закончив выпечку и охлаждение изделий, аппарат автоматически отключается или уже готов к установке новых противней для расстойки мучных кондитерских изделий, тем самым существенно сокращая потребление электроэнергии. Непрерывность процесса с интенсификацией ультразвукомпозволяет почти в два раза снизить затраты времени и уменьшить затраты на персонал.

Экспериментальная часть

Цель работы – повышение производительности пароконвектомата при воздействии ультразвука на процессы брожения, выпечки и охлаждения мучных кондитерских изделий.

Рисунок 3. Предлагаемая технология производства мучных кондитерских изделий (галет «Арктика») в модернизированном УЗВ генератором пароконвектомате.

Figure 3. The offered production technology of flour confectionery (“Arktika” biscuits) in the modernized US the generator a combi steamer

Рассчитаны аппроксимирующие зависимости времени процесса расстойки (мин.) без применения ультразвука (1) и с применением (2) ультразвука с интенсивностью 0,5 Вт/см2, время которой снизилось на 25–30%:

y =-0,0076х2+0,617х +26,40 при R2 = 0,936(1)

y =-0,0117х2+0,743х +28,58 при R2 = 0,891(2)

Время расстойки и прогрева теста при выпечке за счет дополнительной турбулизации ультразвуком пограничной пленки воздуха у поверхности изделий существенно снизилось (расстойка с 60 до 45 минут, выпечка с 16 до 10 минут), что показывает высокую эффективность способа, недостижимую обычной конвекцией.

На основании статистической обработки экспериментальных данных были получены аппроксимирующие математические зависимости параметров выпечки (рисунок 4) .

44 47 49 51 53 56 60 64 68 72 76

1 2 τ, мин

Рисунок 4. График изменения температуры центральных слоев галет Арктика при выпечке в пароконвектомате: t = 32,668 т^0,1325 - кривая изменения температуры мякиша изделия при выпекании с ультразвуком до + 96 °С; (1) t = 7,0748 τ0,137 – кривая изменения температуры мякиша изделия при выпекании без ультразвука до + 96 °С; (2)

• Figure4.    Graph of the temperature change of the central layers of the biscuits Arctic during baking in the combi steamer: t = 32,668 т0,1325 - curve of the temperature change of the crumb of the product when baking with ultrasound to + 96 °C; (1) t = 7,0748 т0,137 - curve of the temperature change of the product crumb when baking without ultrasound to + 96 °С; (2)

Экспериментальные кривые на рисунке 4. позволяют определить временные показатели выпечки галет типа «Арктика» до начала процесса охлаждения. Результаты экспериментальных исследований показали большое влияние воздействия ультразвука на время прогрева при выпечке кондитерских изделий в центре (рисунок 4, кривая 1). Кривая 2 на рисунк е4 показывает значительно более низкую скорость выпекания изделий без ультразвука (на 50–55%), где требуется на процесс до 16 минут вместо 8–10 минут с применением УЗВ.

10 0

0  4  8  12 16 20 24 28 32 36 40 44 48

τ, мин

Рисунок 5. График изменения температуры центральных слоев галет Арктика при охлаждении в пароконвектомате: 1 – Температура воздуха в пекарной камере при охлаждении вентилятором (1 м/с); 2 – Температура мякиша без УЗВ; 3 – Температура мякиша с УЗВ (с интенсивностью 0,5 Вт/см2); 4 – Температура корки с УЗВ (с интенсивностью 0,5 Вт/см2)

• Figure5.    Graph of the temperature change of the central layers of the biscuits Arctic during cooling in the combi steamer: 1 – Air temperature in the baking chamber with cooling by the fan (1 m/s); 2 – Cinder temperature without USV; 3 – The temperature of the crumb from the RAS (with an intensity of 0.5 W/cm²); 4 – The temperature of the crust with USV (with an intensity of 0.5 W/cm²)

Специфические свойства ультразвука позволяют акцентировать внимание на новые значимые свойства, которые повышаются при выпечке мучных кондитерских изделий ультразвуком – это повышение их пищевой ценности и вкусовых свойств, возрастание сохраняемости продукта.

Выводы

• 1.    Следует особо отметить, что контрольные образцы после 2 месяцев хранения имели уже привкус окисленных жиров, а галеты, приготовленные с использованием жироводных эмульсий при воздействии ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности не потеряли своих потребительских свойств и после 4 месяцев хранения.

• 2.    Показано, что ультразвуковая обработка кондитерских изделий увеличивает содержание ароматизирующих веществ, повышает равномерность цвета и увеличивает дегустационную оценку. Повышенная скорость расстойки и выпечки снижают кислотность кондитерских изделий более чем на 0,5 рН, что является предпочтительным аспектом в технологии.

• 3.    На основании проведенных экспериментальных исследований получены эмпирические зависимости параметров процесса от интенсивности ультразвука, улучшены органолептические характеристики и повышены дегустационные оценки продукта.

• 4.    Опытным путём выявлено, что применение ультразвука при интенсивности до 0,5 Вт/см² достаточно эффективно, так как сокращено время расстойки на 25%, выпечки на 50% и охлаждения в 2,5 раза.

• 5.    Предложены математические зависимости, позволяющие уточнить время производства изделий и производительность пароконвектомата.