2.2.2.2 Методы исследования реологических свойств теста

Основой формирования теста считается гидратация белковых веществ, однако, и другие его компоненты оказывают значительное влияние на реологические свойства. На рисунке 7 представлена схема протекающих при замесе теста процессов.

Таким образом, на рисунке 7 в обобщенном виде представлена схема изменений белков, липидов, крахмала и пентозанов, протекающих под влиянием воды, кислорода воздуха и механического воздействие рабочих органов тестомесильной машины [75, 139].

Формирование теста той или иной консистенции будет зависеть от многих факторов. Так, например, интенсивный замес будет обуславливать некоторую механодеструкцию белковых веществ, ослабляющую тесто. В то же время, если активность липоксигеназы повышена, то окисление липидов под влиянием этого фермента обусловит образование комплексов липидов с белками, в результате чего консистенция теста укрепиться. Также будет воздействовать и окисление крахмала и пентозанов.

Рисунок 7 - Процессы, протекающие при замесе теста под воздействием воды и кислорода воздуха

Вместе с тем добавление воды к муке активизирует гидролитические ферменты, в том числе и протеолитические. Последние при определенных условиях уже к концу замеса могут оказать существенное влияние, например, на реологические свойства теста.

По реологическим свойствам тесто из пшеничной муки относится к псевдопластическим материалам. Оно занимает промежуточное положение между идеально упругим телом и истинно вязкой жидкостью.

Рациональным методом характеристики таких систем является определение их деформационных свойств (вяскости, предельного напряжения сдвига, релаксации, модуля упругости и т.д.).

Реологические свойства теста зависят от таких факторов, как температура, влажность, продолжительность и интенсивность механического

воздействия на тесто, рецептура, способ приготовления и длительность брожения теста, хлебопекарные свойства и в первую очередь сила муки и др.

Для определения реологических свойств теста известно большое число приборов и методов.

Приборы и методы, с помощью которых можно получать деформационные характеристики теста, выражаемые в абсолютных физических единицах. К этой группе относятся приборы и методы, использовавшиеся для исследования реологических свойств теста: метод проникновения наконечника (конуса) в практически бесконечный объем системы на приборе Ребиндера; метод сдвига внутри системы (метод Ребиндера - Вейлера тангенциального смещения пластинки); метод закручивания цилиндра, погруженного в систему на приборе Шведова; методы ротационной вискозиметрии на приборах "Реотест-2", РВ-8; методы капиллярной вискозиметрии на приборах АКВ-2 и АКВ-5 и т.д.

Приборы и методы, характеризующие свойства теста не в абсолютных физических единицах, а в различных условных. К этой группе методов можно отнести методы определения свойств теста, а по ним и "силы" пшеничной муки на следующих приборах: автоматизированных пенетрометрах; фаринографе Брабендера (ФРГ); экстепстографе Брабендера (ФРГ); альвеографе Шопена (Франция); валориграфе (ВНР); миксографе. К этим методам относится метод определения "силы" муки по расплываемости шарика теста, а также ряд других менее широко распространенных методов и приборов.

Приборы и методы первой группы широко используются в исследовательских работах, а приборы и методы второй группы широко применяются в производственных лабораториях.

Определение реологических свойств теста на альвеографе проводили в соответствии с ГОСТ 28795 (ИСО 5530). Сущность данного метода заключается в измерении и регистрации посредством апьвеографа изменений давления внутри пузыря в испытуемой пробе определенной толщины, подготовленного методом двухосного растяжения теста. Альвеограф используется для исследования реологических характеристик небродящего теста. Оценка этих свойств теста производится по форме полученных диаграмм [139, 143].

Прибор состоит из двух составных частей: месилки и собственно альвеографа. Месилка имеет устройство, выпрессовывающее после замеса пластину теста, всегда одинаковую по размерам и плотности.

Давление воздуха, создаваемое в процессе испытания пробы теста, регистрируется самопишущим механизмом. Кривые, получаемые на альвеограмме, характеризуют силу муки.

Испытанию подвергают пробы теста, замешенного из муки и 2,5%-ного раствора поваренной соли. Соотношение муки и раствора соли устанавливается с таким расчетом, чтобы на 250 г муки влажностью 14,4% приходилось 127,7 мл солевого раствора. Тесто должно иметь температуру 25°С. Замес теста в месилке альвеографа длится 8 мин, после чего тесто выталкивается специальным приспособлением через выпускное отверстие месилки на приемную пластинку. Сформованные стандартные по размерам диски теста выдерживаются в термостате альвеографа при 25°С, Испытание на альвеографе производится через 26 мин с момента начала замеса.

Результаты альвеографических измерений рассчитываются по пяти кривым, полученным описанным выше способом.

Усредненное значение L и/или G

Р Рисунок 8 - Кривые, полученные при использовании водяного манометра.

Показатель формы кривой определяется соотношением высоты кривой (Р) к ее длине (L): P/L.

Для характеристики альвеограмм используются следующие их показатели (рисунок 8):

Р - максимальное избыточное давление, которое обусловлено сопротивлением теста деформации, определяют как среднее значение максимальных ординат, измеренных в миллиметрах и умноженных на К = 1,1 (с альвеографом поставляют манометры различных типов для измерения давление, традиционный тип с К = 1,1 - для таких типов муки, где давление может подняться до Р = 132 мм).

Выражают результаты с точностью до ближайшего целого миллиметра.

L - растяжимость теста - усредненное значение по оси абсцисс в точке разрыва, соответствующее моменту разрыва.

Для каждой кривой рассчитывается как длина нулевой линии, начинающейся от точки, в которой кривая начинает идти вверх, и

заканчивающейся в точке, где происходит различимое падение давления, вызванное разрывом пузыря. Измеряется в миллиметрах.

Выражают результаты с точностью до миллиметра, индекс растяжимости (или коэффициент деформации) - среднее значение показаний индекса растяжимости (или коэффициентов деформации) по шкале растяжимости и соответствующее абсциссам при разрыве теста. Эта величина равна квадратному корню из величины объема воздуха, выраженного в миллилитрах, необходимого для выдувания пузыря из теста до его разрыва (но без объема воздуха, требуемого для отсоединения прилипших кусков теста).

Для каждой кривой коэффициент деформации может быть рассчитан по следующему уравнению: G = 2,226^L или по таблицам пересчета значений L в значения G.

Результаты выражают с точностью до 0,5 единиц, работа, необходимая для деформации теста в пересчете на 1 г теста (за вычетом энергии, необходимой для вспучивания пузыря до его прорыва). Выражается в Дж-10"4.

Для ее расчета используется следующая формула:

где V- объем закаченного в пузырь воздуха, равный квадрату индекса растяжимости G, к которому необходимо добавить 10 мл, соответствующие среднему значению объема воздуха, необходимого для отлипания испытуемого куска теста, мм;

L - усредненное значение по оси абсцисс, соответствующее точке разрыва, мм;

S - площадь кривой, см2;

1,32 - коэффициент, связывающий различные факторы (ординату кривой, тип манометра и т.п.).

Выражают полученный результат с точностью до 5 единиц, если W 200.

Для наиболее широко используемых видоп муки со значениями G между 12 и 26 (или L между 29,2 и 137,3) , измеренными с помощью шкалы, можно использовать следующее упрощенное уравнение:

где S - площадь кривой, см ;

6,54 - коэффициент, учитывающий определенные условия.

P/L- данное соотношение обычно используют для описания вида кривой.

р - усредненное давление в точке разрыва, выраженное в миллиметрах и умноженное на 1,1.

1е - коэффициент эластичности.

Ie всегда меньше 100 %.

Испытанию были подвергнуты пробы теста, приготовленные из расчетных количеств муки пшеничной высшего сорта и 2,5%-ного раствора поваренной соли - контрольная проба, а также пробы теста, содержащие ламинарию сушеную в количествах 0,75 — 1,5 % к массе муки.

Исследование реологических свойств теста на приборе "Реотест-2". Тесто, как дисперсная система, в ходе технологического процесса подвергается деформации и проявляет такие важные с точки зрения технологии производства хлебобулочных изделий свойства, как вязкость, упругость, пластичность и прочность. Все эти свойства проявляются при

сдвиговой деформации, которая поэтому считается наиболее важной в реологических исследованиях. В зависимости от условий нагружения и состояния материала могут проявляться в различной степени те или иные его реологические свойства. Например, тесто при мгновенном воздействии нагрузки может вести себя как упругое тело, а при других условиях нагрузки проявляются вязкие и пластические свойства.

Напряжение является мерой интенсивности внутренних сил упругости. Под действием внешних сил происходит изменение формы и размеров тела, т.е. его деформация. Величина и характер деформации зависят от свойств материала тела, его формы и способа приложения внешних сил. Деформация сопровождается возникновением внутренних сил взаимодействия между частицами тела. Различают полное, нормальное (а) и касательное (т) напряжение [144,145, 146, 147].

При всестороннем равномерном давлении изменяется только объем тела, а форма остается неизменной, а при сдвиге изменяется форма тела при постоянном объеме. Сопротивление тела действию касательной составляющей приложенной силы называется напряжением сдвига.

Реологическое поведение материала зависит не только от напряжения, но и от скорости приложения напряжения и скорости деформации.

Деформацию делят на два общих вида: обратимую (упругую), которая исчезает после прекращения действия силы, и необратимую (вязкую и пластическую), которая не исчезает после снятия нагрузки, при этой деформации часть механической энергии переходит в тепло.

Различают мгновенную и запаздывающую упругую деформацию.

Необратимая деформация — это вязкое и пластическое течение материала. При вязком течении деформация пропорциональна напряжению и после снятия нагрузки не восстанавливается. Пластическая деформация возникает при напряжении, превышающем некоторую предельную величину

(предел текучести), до достижения которой материал ведет себя как упругое тело.

Пищевые массы, в том числе и тесто из пшеничной муки, представляют собой сложные дисперсные системы. Такие структурированные системы обладают прочностью и подобно твердым телам способны в определенных условиях противодействовать внешнему воздействию. Кроме того, под действием внешнего давления структурированные системы могут изменять свою форму, и даже течь [148, 149, 150].

Простейшими видами деформации для пищевых масс как структурированных систем являются растяжение и сдвиг.

В случае растяжения относительная деформация у равна удлинению тела Ах по отношению к его первоначальному размеру х:

При сдвиге значение у определяется изменением размера образца Ау к его исходному размеру у:

где у - относительный сдвиг; a - угол сдвига.

Изменение деформации во времени х характеризуется скоростью деформации у:

Деформация и течение связаны с таким параметром как вязкость.

Для структурированных систем, сочетающих вязкие, упругие и пластические свойства напряжение изменяется следующим образом:

где ат - предельное напряжение сдвига; - приведенный коэффициент вязкости жидкости, соответствующий разрушенной структуре.

Многообразие реологических свойств реальных тел, в том числе и теста как структурированной пищевой массы, можно моделировать с помощью различных сочетаний реологических идеальных моделей, в основе

которых лежат три основных закона, связывающих напряжение с деформацией. Им соответствуют три модели идеализированного тела, отвечающих основным реологическим характеристикам (упругость, пластичность, вязкость): идеально упругое тело Гука, идеально пластическое тело Сен-Венана - Кулона и идеально вязкое тело Ньютона (ньютоновская жидкость). Сложные модели состоят из нескольких идеальных моделей или элементов, соединенных между собой последовательно или параллельно.

Наиболее важной реологической величиной, определяющей состояние материала, является вязкость (внутреннее трение) - мера сопротивления течению.

Реальные материалы не подчиняются закону Ньютона: вязкость их при заданных температуре и давлении не остается постоянной, а зависит от скорости деформации, поэтому зависимость напряжения от скорости сдвига имеет нелинейный характер [147]. Такие материалы называют неньютоновскими или аномальными. Отношение напряжения к скорости сдвига называют эффективной или кажущейся вязкостью:

где т - касательное напряжение, Па; у - скорость сдвига, с"1.

Аномалия вязкости связана со "структурой" жидкости и ее изменением при течении: при малых скоростях сдвига структура разрушается и полностью восстанавливается, при этом жидкость имеет наибольшую вязкость; с увеличением скорости разрушение структуры начинает преобладать над восстановлением, вязкость резко уменьшается; при больших скоростях течения структура полностью разрушается, жидкость имеет наименьшую (ньютоновскую) вязкость.

Для неньютоновских жидкостей существует ряд теорий объясняющих их течение. Однако информация о поведении этих материалов при течении получена также в основном эмпирическим путем.

Вязкость материалов зависит от температуры, давления, жирности, концентрации, размера частиц и т.п.

Понижение вязкости с повышением температуры определяется повышением кинетической энергии молекул позволяющей преодолевать вязкостные силы.

При высоких давлениях относительное повышение вязкости значительно больше, чем при малых давлениях.

Зависимость вязкости (т^) от температуры (в небольшом диапазоне изменения) описывается уравнением Аррениуса:

где А - постоянная, зависящая от свойств данного вещества; Е — энергия активации, т.е. работа, затрачиваемая на взаимное перемещение молекул, Дж/кмоль; R — универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль-К); Т - температура, К.

Зависимость вязкости от плотности может быть описана для многих пищевых масс формулой Бачинского:

где а - константа, Па-с-м ; V - объем материала, м ; Ъ - коэффициент,

характеризующий собственный объем молекул жидкости, м .

Под действием внешнего давления, например при машинной переработке пищевых масс, происходит уменьшение свободного объема, что в свою очередь ведет к увеличению вязкости. В этом случае для ряда материалов предложена следующая эмпирическая формула:

где г) о — вязкость при атмосферном давлении, Па-с; с - коэффициент; р — давление, Па.

Для описания течения пищевых масс применяется степенное уравнение Оствальда - де-Виля: т = Куп, (14)

где К - коэффициент консистенции, зависящий как от природы материала, так и от вида и размеров измерительной аппаратуры; п

индекс течения; у - скорость сдвига, с*1.

По индексу течения можно судить насколько жидкость отличается от ньютоновской (и = 1), так пищевые массы, у которых 0