ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ВАКУУМНОЙ ТЕСТОМЕСИЛЬНОЙ МАШИНЫ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
В работе рассматриваются вопросы приготовления вафельного теста, основные характеристики и методы оценки его качества. Предложен способ и конструкция тестомесильной машины (тестосмесителя) для приготовления вафельного теста в вакуумированной среде, на которые получен патент. Показано, что наличие вакуума обеспечивает создание перепада давления для транспортирования компонентов теста из одной емкости в другую, а также интенсифицирует замес теста и снижает удельные энергозатраты. Проведены экспериментальные исследования процесса замеса теста, позволившие определить рациональные значения технологических параметров: времени замеса, величины перепада давления в емкости тестосмесителя, реологических показателей вафельного теста. Установлено, что за счет выбора рационального времени замеса теста возможно регулирование степени его аэрации и улучшение качества выпекаемых вафельных листов. Время замеса теста, необходимое для достижения однородности его структуры и готовности к его использованию для выпечки вафельных листов, определялось на основе анализа его морфологии и минимальных значений динамической вязкости. Эксперименты показали, что полный цикл замеса теста (с учетом времени загрузки исходных компонентов и разгрузки готового теста) составляет 80 секунд. В течение часа на предлагаемом тестосмесителе можно провести 44 полных цикла замеса вафельного теста, при этом его производительность составит330 кг/ч. Показано, что использование предлагаемого тестосмесителя позволяет снизить удельные энергозатраты на приготовление вафельного теста в 1,5 раза по сравнению с серийными образцами турбомиксеров.

Ключевые слова:
Тесто, вязкость, тестосмеситель, аэрация, время, вакуум, энергозатраты
Текст
Текст (PDF): Читать Скачать

В настоящее время вафли являются одними из немногих отечественных продуктов, которые в большом объеме предлагаются российскими произ- водителями и являются конкурентными на мировом рынке. Спрос на них достаточно высок и ста- билен [1]. В производстве мучных кондитерских изделий, в том числе и в технологическом процессе произ- водства вафель, приготовление теста является одним из основных технологических процессов, в ходе которого происходит упорядоченное распре- деление исходных компонент внутри готовой сме- си. Структура и свойства теста в значительней мере предопределяют качество готовой продукции. Вафельное тесто - это слабоструктурированная дисперсная система, в которой дисперсной фазой являются частицы муки, жира, пузырьки воздуха, а Динамическую вязкость вафельного теста опре- деляли при помощи вискозиметра ротационного типа «Реотест-2» производства фирмы «Прюфгере- теверке», ГДР. При проведении измерения снимали показатели со шкалы прибора и рассчитывали каса- тельное напряжение и динамическую вязкость по формулам (1), (2) [5]. дисперсионной средой является вода. Это тесто является нестабильной системой и может легко   0,1* a * Z , Па , (1) терять свою однородность [2]. Совершенствование технологии и снижение удельных энергозатрат на производство вафельного    *100 /  , Па * с , (2) теста является приоритетной научной и практи- ческой задачей. Основой для производства вафельной продук- ции является полуфабрикат - вафельный лист, ко- торый выпекается из вафельного теста. Консистен- ция вафельного теста должна быть таковой, чтобы оно представляло из себя текучую смесь, обладаю- щую сравнительно низкой вязкостью и влажностью до 65 %. Жидкое тесто должно легко и полностью заполнять все углубления вафельной формы. Это дает возможность получать тонкие вафельные листы - основной полуфабрикат вафельного произ- водства. Таким образом, в основе производства вафель- ных изделий лежит получение однородного агрега- тивно устойчивого текучего теста с низкой вяз- костью и заданной влажностью [3]. Особое значение для вафельного теста имеет его влажность. Необходимо, чтобы в момент сопри- косновения муки с водой вокруг каждой частицы муки образовалась гидратная оболочка, которая противодействует слипанию набухших частиц муки в комки. Снижение влажности теста ведет к значитель- ному увеличению его вязкости и, как следствие, затрудняет дозирование и заполнение вафельных форм. В свою очередь, увеличение влажности теста снижает производительность печи и увеличивает количества оттеков вафельных листов. Это приво- дит к получению неравномерно пропеченных листов, повышению их прочности и ухудшению качества готовых изделий [4]. Таким образом, для получения качественного вафельного теста необходимо, чтобы оно представ- ляло из себя слабоструктурированную агрегативно устойчивую дисперсную систему с заданными по- казателями влажности и вязкости. Целью работы являлось повышение качества получаемого вафельного теста, снижение времени замеса и удельных энергозатрат за счет вакуумиро- вания системы и регулирования содержания возду- ха в смеси. Объекты и методы исследования В качестве объектов исследований выступали: тестосмеситель; вафельное тесто. В работе применяли методы, позволяющие оха- рактеризовать технологические, структурно- механические свойства исследуемых объектов. где  - градиент скорости, с-1 ; τ - касательное напряжение, Па, Z - постоянная измерительного устройства, Па/дел. шкалы; а - показания прибора, дел. шкалы;  - динамическая (эффективная) вязкость, Па*с. В данном исследовании использовали внутренний цилиндр R1, для которого Z1=5,73, Z2=53,6. Измерения производили при температуре 25 °С. Погрешность прибора составляет ±3 %. Для интенсификации перемешивания вязко- пластичных масс применяются турбинные мешалки [6]. На рис. 1 представлена схема разработанной конструкции тестосмесителя - вакуумной тестоме- сильной машины для приготовления вязко- пластичных масс [7]. Рис. 1. Схема тестосмесителя для приготовления вязко-пластичных масс: 1 - цилиндрическая емкость; 2 - электродвигатель; 3 - ротор турбины; 4 - патрубок для откачки воздуха; 5 - патрубок для подачи смеси сыпучих компонентов; 6 - патрубок для подачи суспензии; 7 - патрубок для выхода теста; 8, 9, 10, 11 - электромагнитные клапана; 12 - статор турбины; 13 - перфорированный цилиндр; 14 - крышка Конструкция тестосмесителя содержит цилин- дрическую емкость 1. При этом дно емкости вы- полнено под углом относительно вертикальной оси, величина которого больше угла трения получаемой смеси. Привод вращения ротора тестосмесителя, состоящий из электродвигателя 2, на валу которого находится ротор 3, установлен на наклонной части днища цилиндрической емкости 1. Внутри емкости на днище вокруг ротора 3 закреплен неподвижный статор 12. Над статором 12 расположена внутрен- няя перфорированная цилиндрическая емкость 13 с диффузором, установленная с зазором относитель- но внутренней поверхности цилиндрической ем- кости 1. На разной высоте цилиндрической емкости смесителя размещены три патрубка на образующей цилиндра. Патрубок 4 для откачки воздуха и созда- ния вакуума в цилиндрической емкости 1 установ- лен в верхней ее части. Наклонный патрубок 5, предназначенный для подачи смеси сыпучих ком- понентов, установлен над диффузором перфориро- ванного цилиндра 13. Патрубок 6 для подачи жид- ких компонентов расположен ниже диффузора, а патрубок 7, служащий для вывода готовой продук- ции, установлен на горизонтальной части днища емкости. Автоматические клапаны 8, 9, 10, 11, со- ответственно установленные на патрубках, управ- ляются блоком управления. Сверху на емкости смесителя установлена крышка 14, обеспечиваю- щая герметичность цилиндрической емкости. Предлагаемый способ смешения вязко- пластичных и сыпучих масс осуществляется сле- дующим образом: включается электромагнитный клапан 8, через патрубок 4 производится откачка воздуха и создается вакуум в цилиндрической ем- кости 1, включается электродвигатель 2 ротора 3, включается электромагнитный клапан 10, через патрубок 6 производится подача эмульсии, затем включается электромагнитный клапан 9, через па- трубок 5 производится подача сыпучей рецептур- ной смеси в цилиндрическую емкость 1 за счет пе- репада давления между цилиндрической емкостью 1 и емкостями с эмульсией и сыпучей рецептурной смеси. Затем выключаются электромагнитные кла- паны 9, 10. Смешение происходит в вакуумируемой ци- линдрической емкости. Наличие вакуума обеспечи- вает снижение аэрации смешиваемых масс. Сыпу- чие массы в смеси с воздухом, попадая в разрежен- ное пространство, мгновенно распыляются на от- дельные частицы и под действием сил тяжести опускаются в быстро движущиеся вязко- пластичные массы, которые перемещаются в гори- зонтальной и вертикальной плоскостях под дейст- вием центробежных сил, возникающих при враще- нии ротора. Вязко-пластичные массы опускаются по внутреннему перфорированному цилиндру к ротору, имеющему подвижные лопатки в форме спирали, которыми при вращении под действием центробежных сил вязко-пластичные массы отбра- сываются через отверстия статора к стенкам ци- линдрической емкости. Затем они поднимаются вверх по каналу, образованному поверхностями внутреннего перфорированного цилиндра и цилин- дрической емкостью. При этом вязко-пластичные массы, проходя через отверстия перфорированного цилиндра, вновь опускаются к ротору, захватывая частицы сыпучих масс. Таким образом происходит быстрое смешивание и образование однородной массы с минимальной затратой энергии. Кроме то- го, смешивание происходит с минимальным количеством кислорода, что существенно снижает окис- ление перемешиваемых масс, снижает вязкость и повышает качество готовой смеси. Затем выключается электромагнитный клапан 8, включается электромагнитный клапан 11, и через патрубок 7 готовая смесь перекачивается в буфер- ную емкость. Для исследования процесса замеса вафельного теста в предложенной конструкции тестосмесителя была создана экспериментальная установка, схема которой приведена на рис. 2. Рис. 2. Схема экспериментальной установки для замеса вафельного теста: 1 - тестосмеситель; 2 - смеситель сыпучих компонентов; 3 - эмульсатор; 4 - емкость для готового теста; 5 - вакуум-насос; 6, 7, 8, 9, 10, 11 - электромагнитные клапана; 12 - вакуумная линия; 13, 14, 15, 16 - продуктопроводы; 17 - кран для отбора проб; 18 - блок управления Экспериментальная установка состояла из тес- тосмесителя 1, промежуточного смесителя сыпучих компонентов 2 для получения рецептурной смеси, эмульсатора 3 для получения гомогенной эмульсии, емкости 4 для хранения теста, вакуум-насоса с ре- сивером 5, электромагнитных клапанов 6, 7, 8, 9, 10, 11 (предназначенных соответственно: 6, 7 - для создания вакуума в емкости тестосмесителя и ем- кости для теста; 8, 9, 10, 11 - для подачи сыпучей смеси компонентов, эмульсии и готового теста), вакуум-линии 12, вакуум-трубопроводов 13, 14, 15, 16 для транспортировки сыпучей смеси, эмульсии и готового теста. Управление электромагнитными клапанами, приводами установки осуществлялось от блока управления 18. Для отбора проб теста из емкости тестосмесите- ля во время его замеса в днище емкости тестосме- сителя имелся специальный кран. Работа узлов экспериментальной установки при- готовления вафельного теста происходила следую- щим образом. Производили закладки расчетных доз жидких и сыпучих компонентов. После этого нажи- мали кнопку «Пуск программы», и блок управления начинал выполнять программу в соответствии с за- ложенным алгоритмом. Параллельно происходило приготовление суспензии в эмульсаторе 3 и рецеп- турной смеси в смесителе сыпучих компонентов 2. Затем по команде блока управления открывался кла- пан 6 на вакуум-трубопроводе 12, соединяющем емкость тестомесильной машины 1 с ресивером ва- куум-насоса 5. При этом в емкости тестомесильной машины 1 создавалось разрежение. Далее открыва- лись клапаны 9 и 8 на выходе эмульсатора 3 и про- межуточного смесителя 2, которые позволяли эмульсии и смеси сухих компонентов по продукто- проводам 13 и 14 за счет перепада давления пода- ваться в емкость тестомесильной машины 1. Далее происходил замес вафельного теста. По окончании замеса вафельного теста в тестомесильной машине 1 по команде блока управления открывался клапан 7 на вакуум-трубопроводе 12, соединяющем промежуточную емкость 4 для теста с ресивером ва- куум-насоса 5. При этом в емкости 4 создавалось раз- режение. Далее открывался клапан 10 на продукто- проводе 15, соединяющий емкость тестомесильной машины 1 и промежуточной ем-кости для теста 4, что позволяло готовому тесту по продуктопроводу 15 за счет перепада давления подаваться в промежуточную емкость 4 для готового теста. После опорожнения емкости тестомесильной машины 1 по команде блока управления включает- ся клапан 7, отключающий вакумм-трубопровод 12 и соединяющий промежуточную емкость 4 с атмо- сферой. После закрытия клапана 10 процесс приго- товления теста повторялся. Геометрические и кинематические параметры экспериментальной установки были следующими: объем емкости тестосмесителя VСМ составлял 17 литров; диаметр емкости смесителя D=0,23 м; высота емкости смесителя Н=0,53 м; диаметр вы- пускного отверстия D1=0,05 м; диаметр ротора ме- шалки dM=0,134 м; частота вращения ротора n=12,5с-1; масса готовой смеси в тестосмесителе была равна 7,5 кг. Среднее значение плотности ва- фельного теста составляло ρ=1120 кг/м3. В ходе экспериментов определялось время за- меса, энергозатраты и качественные показатели готового теста. Эксперименты проводились сле- дующим образом. В емкость тестосмесителя 1 при включенном приводе вращения ротора одно- временно подавались через продуктопровод 13 рецептурная смесь сыпучих компонентов, а через продуктопровод 14 - эмульсия. Замес вафельного теста проводился как при атмосферном давлении Р1, так и при вакуумировании емкости тестосме- сителя до Р2=30 кПа. Влажность теста составляла 62-65 %. Вязкость теста определялась по стан- дартной методике на вискозиметре «Реотест-2» при градиенте скорости 5,4 с-1. Через кран 17 от- бирались девять образцов теста во время замеса с интервалом через 10 с. Одновременно измерялась ваттметром потребляемая мощность электродви- гателя. Величина разрежения контролировалось вакуумметром. Опыты повторялись не менее пя- ти раз. Результаты и их обсуждение На рис. 3 приведена структура вафельного тес- та, полученного на экспериментальном тестосмеси- теле при разной продолжительности замеса. В табл. 1 дана сравнительная характеристика структуры вафельного теста. Степень однородности структу- ры теста выявлялась путем анализа соотношения мелких и крупных фракций крахмальных зерен и клейковины, выраженного в процентах. Сравнительная характеристика степени однородности теста Таблица 1 Время замеса вафельного теста, с 10 20 30 Степень однородности вафельного теста, % 20 60 100 а б в Рис. 3. Оптические микрофотографии образцов вафельного теста с разным временем перемешивания исходных компонентов (в секундах): а - 10 с; б - 20 с; в - 30 с Видно, что через 10 секунд замеса (рис. 3а) структура теста содержит участки непромеса (сте- пень однородности теста составляет 20 %). После 20 секунд замеса (рис. 3б) структура теста стано- вится более однородной (степень однородности теста составляет 60 %)., а после 30 секунд замеса (рис. 3в) структура теста имеет 100%-ю однород- ность, что свидетельствуют о готовности такого вафельного теста к дальнейшему использованию для выпечки вафельных листов. Структура и свойства готового теста в значи- тельней мере предопределяют технологию выпечки вафельных листов и качество готовой продукции. На рис. 4, 5 представлены гистограммы измене- ния вязкости теста и затрачиваемой удельной мощ- ности от времени замеса вафельного теста. 1,4 Динамическая вязкость Па*с 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Номера образцов теста отобранные через каждые 10 с замеса при давлении 100 кПа при давлении 30 кПа Рис. 4. Гистограмма изменения вязкости теста от времени замеса 0,12 Удельная мощность при замесе, кВт/кг 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Номера времени замера удельной мощности, через каждые 10 с При давлении 100 вПа При давлении 30 кПа Рис. 5. Гистограмма изменения затрачиваемой удельной мощности от времени замеса теста Как видно из результатов, представленных на рис. 4 и 5, экспериментальные значения динамичес- кой вязкости и потребляемой удельной мощности с увеличением времени замеса сначала уменьшаются до минимального значения, а затем начинают воз- растать. При атмосферном давлении в емкости тес- тосмесителя минимальные значения динамической вязкости и потребляемой удельной энергии наблю- даются у пятого образца (после 50 секунд замеса). При вакуумировании емкости тестосмесителя зна- чения этих параметров уменьшаются и выравнива- ются быстрее, чем при атмосферном давлении. Так, уже у третьего и четвертого образцов (после 30-40 секунд замеса) они имеют минимальное зна- чение, что свидетельствует о готовности вафельно- го теста. Это можно объяснить тем, что смешива- ние происходит в вакууме, где сыпучие массы мгновенно разделяются на отдельные частицы и под действием сил тяжести опускаются в быстро движущиеся вязко-пластичные массы, которые перемещаются в горизонтальной и вертикальной плоскости под действием центробежных сил, воз- никающих при вращении ротора. При вакуумиро- вании вследствие отсутствия воздушной прослойки в смеси в момент соприкосновения муки с водой вокруг каждой ее частицы быстрее образуется гид- ратная оболочка. Такая оболочка противодействует слипанию набухших частиц, снижает сопротивле- ние при движении смеси внутри тестосмесителя и способствует уменьшению времени замеса теста. Это, соответственно, приводит к снижению удель- ных энергозатрат на замес теста. Установлено, что при этом предел прочности образцов выпеченных вафельных листов составляет 1,46 МПа, величина относительной деформации 1,08 %, а модуль Юнга находится в пределах 94-104 МПа, что соответствует высокому качеству вафельных листов. При более длительном замесе теста повышается его вязкость и удельные энерго- затраты. Кроме того, увеличение вязкости вафель- ного теста также затрудняет дозирование и запол- нение вафельных форм. Это объясняется увеличением набухаемости клейковины и ростом внутрен- него трения, что, в свою очередь, снижает качество вафельных листов. Таким образом, эксперименты показали, что раци- ональное время замеса вафельного теста при вакуу- мировании емкости тестосмесителя составляет 40 сек. С учетом времени загрузки исходных компонентов и выгрузки готового теста полный цикл замеса состав- лял 80 сек. В течение часа на предлагаемом тестосме- сителе можно провести 44 полных цикла замеса ва- фельного теста, масса одной порции вафельного теста в емкости тестосмесителя составляет 7,5 кг, при этом его производительность составит 330 кг/ч. Экспериментальным путем были определены затраты электроэнергии в предлагаемой конструк- ции тестосмесителя. Общая мощность для замеса вафельного теста на предлагаемом тестосмесителе совместно с вакуум-насосом при рациональных значениях вязкости теста и атмосферном давлении в емкости тестосмесителя составляет 1,65 кВт. Удельные энергозатраты для замеса вафельного теста в этом случае составляют 5,0 Вт/кг. При вакуумирования емкости тестосмесителя и при рациональных значениях вязкости теста общая мощность для замеса составляет 1,6 кВт. Соот- ветственно удельные энергозатраты для замеса ва- фельного теста в этом случае составляют 4,8 Вт/кг. Таким образом, опыты показали, что использо- вание вакуума при замесе вафельного теста позво- ляет снизить удельные энергозатраты. Предлагаемая конструкция тестосмесителя предназначена для приготовления вафельного теста в цехах кондитерских фабрик, выпускающих ва- фельные изделия. Из литературных источников известна конструкция турбомиксера ТМ-60 [8], который взят нами в качестве аналога для сравне- ния с разработанным тестосмесителем. При извест- ной технической характеристике и средней объем- ной плотности вафельного теста ρ=1120 кг/м3 про- изводительность аналога составляет 400 кг/ч. Вре- мя замеса, загрузки и разгрузки емкости турбомиксера составляет 10 минут. За один час в этом тур- бомиксере можно совершать шесть полных циклов замеса теста. Масса одной порции вафельного теста в емкости турбомиксера составляет 66,6 кг, мощ- ность электродвигателя для вращения ротора устройства составляет 3,0 кВт, удельные энергоза- траты для замеса вафельного теста составляют 7,5 Вт/кг теста. Сравнение эксплуатационных характеристик двух рассматриваемых вариантов тестосмесителей показывает, что в предлагаемой конструкции тес- тосмесителя удается снизить удельные энергоза- траты в 1,5 раза.
Список литературы

1. Иванова, И.Б. Вафельные грезы / И.Б. Иванова // Рекламно-информационный журнал PROD & PROD продвижение продовольствия. - 2012. - № 6 (32). - С. 8.

2. Аминева, И.Я. Разработка рецептур и совершенствование технологии вафельных изделий функционального назначения / И.Я. Аминев // Известия высших учебных заведений: пищевые технологии. - Краснодар: Кубанский государственный технологический университет. - 2012. - Вып. 2-3. - С. 326-327.

3. Муратова, Е.И. Реология кондитерских масс: монография / Е.И. Муратова, П.М. Смолихина. - Тамбов: ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2013. - 188 с.

4. Mert, S. Development of gluten-free wafer sheet formulations / S. Mert, S. Sahin, G. Sumnu // LWT - Food Science and Technology. - 2015. - Vol. 63, Issue 2. - P. 1121-1127.

5. Мачихин, Ю.А. Инженерная реология пищевых материалов / Ю.А. Мачихин, С.А. Мачихин. - М.: Легкая и пи- щевая промышленность, 1981. - 216 с.

6. Box, P.O. Design and Implementation of Differential Agitators to Maximize Agitating Performance Saeed Asiri King- Abdulaziz / P.O. Box // International Journal of Mechanics and Applications. - 2012. - Vol. 2(6). Р. 98-112.

7. Пат. №2566784 Российская Федерация, МПК В01F 3/12, В01F 5/00, В01F 5/12, В01F 7/18, В01F 3306 Способ получения вязко-пластичной смеси и устройство для его осуществления / В.Н. Сопляченко, Г.И. Старшов, Д.Г. Старшов, А.И. Никитин, С.Н.Никоноров, Л.Н. Потехина, В.М. Седелкин, К.М. Далузян; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Саратовский государственный техничес- кий университет им. Ю.А. Гагарина», Сопляченко Вячеслав Николаевич. - № 201411293/05; заявл. 02.04.14; опубл. 27.10.15, Бюл. № 30. - 2 с.

8. Турбомиксер ТМ-60. - http://www.3f-eng.ru/ [электронный ресурс] // Официальный сайт инжиниринговой компании «ТриЭф». - Дата обращения: Март 2015.


Войти или Создать
* Забыли пароль?