Подготовка воды для производства хлебобулочных изделий

Наименьшую влажность имеет тесто для бараночных изделий, наибольшую -- для формового хлеба из обойной муки.

Выход муки также влияет на количество воды в тесте. Чем выше выход муки, тем больше воды может содержаться в тесте. Обусловлено это тем, что частицы оболочек зерна, содержащиеся в муке высоких выходов, обладают способностью связывать воду в большем количестве, чем частицы эндосперма.

Влажность муки влияет на соотношение муки и воды в тесте: чем суше мука, тем больше воды она может поглотить при замесе. Поэтому нормы выхода хлеба устанавливаются на муку с определенной «базисной» влажностью (14,5%) и соответственно корректируются при выработке хлеба из муки с меньшей или большей влажностью.

Однако опыт работы промышленности и исследования, проведенные во ВНИИХПе, показали, что чисто арифметический подход к корректировке норм выхода хлеба (исходя из содержания в муке сухого вещества) не отражает действительного влияния фактора влажности муки. Можно считать установленным, что при очень низкой влажности муки (примерно 10-13%) для получения теста с нормальными реологическими свойствами и хлеба хорошего качества приходится при замесе добавлять воды меньше, чем следовало бы добавить по расчету, исходя из содержания сухого вещества в муке и другом сырье.

В связи с этим корректировка выхода хлеба в зависимости от влажности муки сейчас производится только при влажности муки выше 12%. Мука влажностью ниже 12% при расчетах выхода приравнивается к муке влажностью 12%.

Количество сахара и жира, добавляемых в тесто по рецептуре, существенно влияет на количество воды, которое следует добавлять при замесе теста. Чем больше в тесте сахара и жиров, тем соответственно меньше требуется воды.

При добавлении в тесто сахара, содержащего всего лишь десятые доли процента влаги, и, следовательно, более «сухого» чем мука, тесто все же как бы разжижается и в результате этого снижается количество воды, которое нужно было бы добавить для получения теста нормальной консистенции. Дегидратирующее действие сахароз приводит к разжижению теста вследствие того, что количество воды, осмотически связанной белками в тесте, при добавлении сахаров уменьшается, поэтому содержание жидкой фазы теста увеличивается и тесто становится более «жидким».

Дегидратирующее действие сахара на коллоиды теста было экспериментально показано А.Г. Кульманом на примерах снижения водоудерживающей способности муки, тем большего, чем выше была концентрация сахаров (глюкозы, мальтозы и сахарозы).

Внесение в тесто жира также несколько разжижает его. Поэтому при внесении в тесто значительных количеств сахара и жиров приходится соответственно сокращать количество воды, добавляемой при замесе.

Если в рецептуру теста входит молоко, содержащее около 88% воды, или яйца, количество воды в тесте также приходится соответственно сокращать.

Сила муки обусловливает реологические свойства теста из нее. Поэтому чем сильнее пшеничная мука, тем относительно выше количество воды, которое следовало бы вносить в тесто для получения хлеба с наибольшим объемом и лучшей пористостью.

При переработке слабой муки свойства теста в период брожения сильно ухудшаются. Тесто разжижается и становится липким, что затрудняет или даже делает практически невозможным прохождение кусков теста через округлительные и закаточные машины. При расстойке тестовые заготовки очень быстро и сильно расплываются.

В связи с этим количество воды, вносимой в тесто из слабой муки, приходится снижать, и тесто готовят с влажностью, часто даже меньшей, чем это допустимо с точки зрения норм влажности мякиша данного сорта изделий. Это, естественно, влечет за собой снижение выхода изделий и ухудшение экономических показателей их производства [14].

На количество воды в тесте влияют также способы приготовления теста, технологические режимы, применение улучшителей и другие факторы.

Так, применение интенсивного замеса или усиленной механической обработки теста повышает водопоглотительную способность муки вследствие, вероятно, перераспределения воды между белковыми веществами и крахмалом. При использовании заварок повышается водопоглотительная способность теста в связи с увеличением связывания воды клейстеризованным крахмалом.

Пищевые добавки-улучшители влияют на реологические свойства теста. При интенсификации окислительных процессов в тесте в результате действия определенных улучшителей водопоглотительная способность теста повышается.

Внесение воды в тесто имеет важное значение для процессов, происходящих на всех стадиях приготовления хлеба. При участии воды осуществляется сложный комплекс биохимических реакций.

От количества воды зависят процессы жизнедеятельности дрожжей и других микроорганизмов, скорость их размножения, интенсивность спиртового и молочнокислого брожения.

Протекание коллоидных процессов набухания и пептизации белковых веществ также определяется соотношением свободной и связанной воды в тесте [15]. Увеличение количества воды в тесте ускоряет действие ферментов в нем [14].

Учитывая важную технологическую роль влажности полуфабрикатов, ее включают в комплекс контролируемых показателей их качества.

Вода с рН выше 8 из-за большего содержания в ней щелочных солей нейтрализует кислоты, образующиеся при брожении, и негативно влияет на жизнедеятельность дрожжей.

Для исключения влияния воды различного минерального состава на свойства теста перспективным является проведение стабилизации свойств воды перед использованием путем введения в нее определенных минеральных солей (В. И. Корчагин, 2000) [15].

В связи с этим влажность теста необходимо систематически контролировать. Значение этого контроля подчеркивается тем, что влажность теста фактически предопределяет влажность мякиша хлеба, регламентируемую стандартом [14].

Физико-химические и коллоидные процессы при замесе теста

Формирование теста как единой системы из разрозненных рецептурных ингредиентов и придание ему определенных реологических свойств, обеспечивающих оптимальное протекание комплекса процессов на всех стадиях приготовления хлеба, происходит на стадии замеса теста.

Свойства полидисперсной системы - теста - определяются свойствами дисперсных частиц и их взаимодействием в водной среде. Свойства трехмерной структуры биополимеров как основных структурных компонентов теста обусловливаются их химическим составом и строением макромолекул, а также определяют механизм их взаимодействий при образовании сложных полидисперсных систем.

На начальном этапе формирования теста агрегаты мучных частиц образуют единственную дисперсную фазу. Механическое воздействие в этом случае приводит к ускоренному смачиванию мучных частиц и образованию исходной дисперсной системы коагуляционного типа. В водной среде мучные частицы стремятся уменьшить свободную поверхностную энергию притяжением и достройкой за счет молекул воды. Таким образом, вокруг частиц образуется моно- или полимолекулярный слой дисперсной среды, называемый сольватной оболочкой. Эта оболочка препятствует непосредственному контакту мучных частиц, приводит к образованию устойчивой системы частиц.

Разрушение мучных частиц происходит вследствие растворения водорастворимых компонентов мучного агрегата. На начальной стадии этот процесс преобладает над прочими процессами разрушения, поскольку при гидратации муки в процессе приготовления теста имеет место конкурентная борьба за растворитель - воду, в которой наиболее активны водорастворимые соединения.

Макромолекулы белков, углеводов и других высокомолекулярных веществ, объединяющих полярные и неполярные атомные группы, различаются по удельному содержанию этих групп. Преобладание неполярных групп приводит к проявлению биополимером гидрофобных свойств, обусловливающих сопротивление растворимости. Обратное соотношение определяет растворимость биополимеров с преобладанием полярных функциональных групп.

Механизм растворения биополимеров можно трактовать как конкурентную борьбу адгезии и когезии. При преобладании энергии адгезии дисперсной системы вещества переходят в раствор. Если преобладает энергия когезии между компонентами частиц дисперсной фазы, то материал либо набухает, гидрофильно связав воду, либо распадется на отдельные группы макромолекул.

Фактором, обусловливающим разрушение мучных частиц, является также диффузия молекул воды вглубь этих частиц. Растворимые компоненты набухают из-за наличия в их сложных мицеллах остатков растворимых низкомолекулярных фракций, а также гидрофильных ядер.

Дальнейшее формирование теста связывается с непрерывным развитием кристаллизационной структуры на фоне коагуляционной.

Структурообразование в дисперсной системе рассматриваемого типа происходит за счет механизма образования двойных спиралей. При этом образуется обширная трехмерная структура, являющаяся следствием водородных связей между регулярными участками различных макромолекул.

Образование непрерывной сетки клейковинных белков связано с возникновением мицеллярных структур, которое происходит в два этапа: самоорганизация коагуляционной структуры в псевдокристаллическую и образование прочных связей гидрофобной или адгезионной природы на участках контакта мицелл.

Таким образом, замешивание теста следует рассматривать как образование трехмерной структуры. Однако, механическое воздействие инициирует наряду с процессами структурообразования протекание обратных процессов - образование золевых растворов. В зависимости от режимов замеса, определяемых многообразием факторов (свойств сырья, влажности теста, его рецептуры, наличия добавок различного принципа действия и других) устанавливаются оптимальные свойства теста, учитывающие динамическое равновесие коагуляционно-кристаллизационной структуры теста, которое определяет в конечном итоге качество готовой продукции [15].

Влага при выпечке и очерствении хлеба

Выпечка - это постепенный прогрев расстоявшихся тесовых заготовок при радиационно-конвективном подводе теплоты. В печи их объем увеличивается до постоянного - на поверхности образуется прочная корочка. Ее окраска и толщина во время выпечки постоянно меняются. Происходит упрочнение мякиша и образование структуры, характерной для готового хлеба. Распространение теплоты идет от корки к внутренним слоям теста.

Процесс выпечки может быть разбит на три зоны:

I - увлажнение,

II - основная выпечка,

III - допекание.

Они характеризуются температурой и относительной влажностью среды пекарной камеры соответственно: t = 100-120°С, ц = 60-70%, t = 200-260°С, ц = 0%, t = 160-180°С, ц = 0%. Тестовые заготовки, поступая в пекарную камеру, попадают в увлажненную зону, влагообмен в этой зоне происходит в силу того, что температура тестовых заготовок 29 - 30°С (ниже точки росы), поэтому влага конденсируется на поверхности и частично поглощается тестовыми заготовками, масса которых при этом увеличивается на 1 - 1,3%.

Этот процесс имеет большое технологическое значение. Если влаги в первой зоне пекарной камеры мало, то интенсивно образуется корка, а объем тестовых заготовок продолжает расти. При этом на поверхности образуются подрывы. Иногда бесконтрольно увеличивают объем пара, подаваемого в первую зону печи. При этом корка получается тонкой и при хранении морщится и ломается.

Увлажнение тестовых заготовок должно происходить не более 2-3, максимум 5 мин., причем каждому виду изделий соответствует своя степень увлажнения. Сорбция влаги тестовыми заготовками зависит от температуры и степени увлажнения пекарной камеры, свойств тестовых заготовок и т.д.

После прогрева тестовых заготовок до 100°С происходит постепенное испарение влаги с поверхности до тех пор, пока влажность корки не будет равна 0. корка имеет низкую влаго- и теплопроводность, следовательно, необходимо повышать температуру, когда тестовые заготовки поступают во II зону выпечки.

Во II зоне выпечки температура пекарной камеры повышается от 100°С до 200-260°С, корка стабилизируется, прогрев идет от поверхности к центру. Когда влажность корки станет равной 0, нарушается равновесие между наружными и внутренними слоями. За счет диффузии влага начинает мигрировать от центра к периферийным слоям.

Но низкая влаго- и теплопроводность корки оказывает сопротивление этому перемещению. В это время от периферии к центру влага будет перемещаться под напором температурного градиента (явление термовлагопроводности). Так как разность температур значительна, перемещение влаги к центру происходит интенсивнее. Поэтому в центральной части хлеба влажность на 2-3% больше начальной. Во II зоне перенос массы влаги термовлагопроводностью больше, чем за счет диффузии. После образования корки испарение перемещается в подкорковое пространство и медленно углубляется к центру.

В отличие от II зоны, III зона характеризуется более низкой температурой. Перемещение влаги за счет диффузии и термовлагопроводности выравнивается, подкорковый слой имеет температуру до 100°С, а центр хлеба 98-99°С.

При повышении температуры тестовых заготовок активизируются процессы, протекающие в тестовых заготовках. Например, дрожжи начинают интенсивно сбраживать сахара, оставшиеся на начало выпечки, количество СО₂ увеличивается, следовательно, увеличивается объем тестовых заготовок. Это продолжается только до 40-45°С, после чего активность бродильной микрофлоры снижается. При 50-55°С прекращается жизнь термофильных бактерий и рост объема.

Гидролиз части крахмала и белков под действием амилолитических и протеолитических ферментов увеличивается. Декстрины, образовавшиеся при гидролизе крахмала на поверхности тестовых заготовок, растворяются в конденсате, способствуя образованию глянца корки. Кода температура корки достигает 100°С, начинают развиваться окислительно-восстановительные реакции между сахарами, кислотами и белками. В результате интенсивно протекает реакция меланоидинообразования, придающая корке окраску, аромат и вкус.

При приготовлении теста белки интенсивно поглощают влагу, примерно в 2 раза больше собственной массы. После посадки тестовых заготовок в печь при достижении 45-50°С белки начинают денатурироваться, при этом выделяется влага. Денатурация белков прекращается при 60-65°С. Крахмал поглощает теряемую белками влагу, за счет чего набухает и при 68-72°С клейстеризуется. Но для полной клейстеризации не хватает воды, которой нужно в 2-3 раза больше, чем есть в тесте. Такая ограниченная клейстеризация крахмала протекает до конца выпечки.

Денатурация белков и клейстеризация крахмала приводит к образованию мякиша хлеба. После посадки тестовых заготовок в печь их объем быстро увеличивается примерно на 10-30%, чему способствует эластичность корки. Роль корки заключается в том, что она служит препятствием для удаления СО₂ и проникновения микроорганизмов при хранении.

Одним из основных показателей, по которому потребитель оценивает качество хлеба - является степень его свежести или черствости, сжимаемость мякиша.

Черствение хлеба определяют по изменениям структурно-механических свойств мякиша и корки, которая теряет твердость и блеск, принимая влагу из мякиша и окружающего воздуха.

Черствение хлеба сопровождается изменением гидрофильных свойств мякиша: резко снижается его способность к набуханию и поглощению воды, уменьшается содержание связанной воды. В черством хлебе очень мала способность коллоидов и других веществ мякиша переходить в водный раствор, снижена растворимость крахмала мякиша в воде [17].

Таким образом, черствение при хранении хлебобулочных изделий вызывается в основном изменением структуры крахмала. Клейстеризованный в процессе выпечки крахмал с течением времени выделяет поглощенную им влагу и переходит в прежнее состояние, характерное для крахмала муки. Крахмальные зерна при этом уплотняются и значительно уменьшаются в объеме, между ними образуются воздушные прослойки. Поэтому черствеющий мякиш становится крошковатым. Свободная влага, выделенная крахмалом, при черствении изделия впитывается белками и частично испаряется, а также остается в образовавшихся воздушных прослойках.

Следовательно, черствение - это процесс ретроградации крахмала, т.е. переход крахмала из аморфного состояния, в котором он находился в горячем изделии, в кристаллическое, идентичное тому состоянию, в котором крахмал находился в тестовой заготовке перед выпечкой [16].

Изменение физических свойств мякиша связано с состоянием не только крахмала, но и белковых веществ. Клейковина в процессе черствения хлеба не является инертной: она прочнее, чем крахмал, связывает влагу, а следовательно, и труднее выделяет ее.

Процессу черствения хлеба сопутствуют изменения в белковой части мякиша, приводящие к уплотнению его структуры и снижению гидратационной способности. Однако эти изменения происходят в 4-6 раз медленнее по сравнению со скоростью старения крахмала, которого в 5-7 раз больше, чем белка. Поэтому можно считать, что в процессе черствения хлеба основную роль играют изменения крахмала мякиша [17].

1.3 Обработка воды методом плазмохимической активации

Плазмохимическая технология основана на использовании низкотемпературной плазмы, по крайней мере, на одной из стадий технологического процесса.

В плазмохимической технологии различают два принципиально различных направления, в соответствии с тем, что плазма при данном давлении может быть квазиравновесной, т. е. характеризуется максвелл-больцмановским распределением частиц по энергиям и единой для всех частиц температурой, и неравновесной, описываемой несколькими температурами для частиц разной массы или для разных типов их движения.

Квазиравновесные плазмохимические процессы реализуют при температурах 3000-10000 К и давлениях порядка атмосферного (или выше). В этих условиях резко возрастает скорость химических превращений по сравнению с традиционными технологиями; высокая удельная энергия плазмы позволяет перерабатывать широкодоступное малоценное или неустойчивое по составу сырье, невыгодное при традиционных технологиях. Высокие скорости плазмохимических процессов (их времена от 0,1 до 10 мс) позволяют существенно миниатюризировать оборудование. Как правило, такие процессы легко управляются и оптимизируются.

Использование неравновесных плазмохимических процессов основано главным образом на инициировании химических взаимодействий электронами высоких энергий при сравнительно низких (до 30 кПа) давлениях. Это позволяет осуществлять газофазные синтезы с более высоким выходом, меньшими удельными затратами энергии, сокращать число стадий процесса по сравнению с традиционными технологиями, применять плазму для эффективной обработки и модифицирования поверхностей материалов и изделий, получения и нанесения тонких пленок органических и неорганических веществ.

Плазмотрон - газоразрядное устройство для получения плазмы. В крупнотоннажных производствах используют в основном электродуговые генераторы плазмы постоянного или переменного тока промышленной частоты (рис. 2). Их мощность достигает 10 МВт, тепловой кпд (отношение количества энергии, уносимой в единицу времени газом из плазмотрона, к мощности электрической дуги) составляет 85% при ресурсе работы порядка 250 ч. В промышленных условиях в качестве плазмообразующих газов применяют воздух, азот, водород, углекислый газ; в лабораторных условиях также аргон, другие инертные газы.



Рисунок 2 - Схема электродугового плазмотрона постоянного тока с фиксированной длиной дуги, стабилизированной вихревым потоком плазмообразующего газа: 1 - электроды; 2 - вход плазмообразующего газа; 3 - столб дуги; 4 - катушка электромагнитов; 5 - поток плазмы

Генерируемые в электродуговых плазмотронах потоки плазмы турбулентны и характеризуются неоднородными распределениями осредненных значений температуры и скорости. В тех производствах, где недопустимо наличие в плазме материалов эрозии электродов, используют безэлектродные плазмотроны (высокочастотные индукционные и емкостные, СВЧ). [21,22,23,24]

Из теории понятно, что разрядные технологии могут неплохо очищать воду от тяжелых металлов, которые в результате воздействия плазмы переходят в легкоосаждаемые нерастворимые соединения.

В Днепропетровске была создана установка (до промышленной версии тогда дело так и не дошло), в которой тонкая пленка воды стекала под небольшим наклоном по катоду, над ней «светили» точечными разрядами многочисленные аноды, поддерживая тлеющий разряд наподобие того, который происходит в бытовой ртутной лампе.

Параллельно шли работы по изучению полученной в результате очистки воды. Тогда стало понятно, что плазма уничтожает большинство микробов и вирусов. Результаты плазменной обработки были впечатляющими: количество радионуклидов после очистки плазмой уменьшалось в жидкостях на порядок, а уровень радиоактивности -- в 300 раз.

А что будет, если в экспериментальной установке обработать плазмой при разных параметрах подаваемых разрядов не грязную, а чистую воду. Выяснилось, что обработанная вода меняет свои свойства и приобретает ярко выраженные антибактерицидные качества, мало того: активированная плазмой вода быстро заживляла раны и язвы, стало понятно, что технология плазменной обработки подходит для очистки разных типов воды, и не только для очистки. К тому же уже сейчас понятно, что у предлагаемой российской компанией технологии есть ряд серьезных преимуществ -- воздействие на водный раствор осуществляется всеми составляющими плазмы газового разряда: ИК-излучением, излучением в видимом спектре, ультрафиолетом и ударными импульсами разряда, а у американской компании -- только СВЧ-излучением. Энергопотребление при таком разряде отличается от показателей других разрядов. Токи разрядника (разработчики называют его предионизирующим разрядом), которым подогревают основной разряд, составляют миллиамперы, но этот «слабый» разряд создает дополнительную ионизацию, которую потом работающий тлеющий разряд использует на полную катушку.

Все чудеса, по словам авторов проекта, возникают в приграничном слое вода-плазма, где создается газовая среда. Именно здесь происходят очень высокие скачки напряжения -- в долях миллиметра в тысячу вольт, которые и влияют на важные изменения в обрабатываемой жидкости [18].

1.4 Физико-химические процессы при обработке водных растворов низкотемпературной плазмой газового разряда

Возможность осуществления химических превращений под действием электрического разряда была обнаружена почти сто лет назад. Было установлено, что выход реакции превышает фарадеевский (т.е. при прохождении в цепи одного электрона происходит больше одного акта химических превращений). Однако использование электрического разряда не нашло применения для непосредственного осуществления химических реакций, в связи с высокими энергетическими затратами и неэкономичностью. В последнее время интерес к электрическому разряду снова начал возрастать, так как было накоплено много новых данных по свойствам активных частиц, образующихся в плазме газового разряда, что открывает новые подходы к наблюдавшимся ранее явлениям и дает надежду на их практическое применение [31].

Взаимодействия газового разряда с растворами может быть осуществлено следующими способами [32]: импульсный пробой жидкой фазы, контактирующий с жидкостью разряд между расположенными в газовой фазе электродами, стационарный или квазистационарный разряд, в котором роль одного или обоих электродов выполняет раствор электролита.

В первом случае в результате пробоя возникает канал плазмы в парах обрабатываемой жидкости, в котором образование активных частиц происходит за счет электронов, ускоряемых полями характерными для импульсных разрядов.

Во втором случае, те частицы, которые образуются в плазме, диффундируют к границе раздела фаз и вызывают химические превращения в растворе.

В третьем случае ток разряда проходит через электролит, изменяя свойства границы раздела фаз плазма - жидкость. При этом плазма может создаваться в исходном плазмообразующем газе, содержащем пары растворителя или паровой оболочке, возникающей внутри жидкой фазы вследствие перегревной неустойчивости.

На границах раздела плазма - раствор происходит образование так называемых скачков потенциала. Вследствие чего происходит перенос из раствора в плазму нейтральных и заряженных частиц. Действие разряда на растворы электролитов приводит к диссоциации молекул растворителя. Бомбардировка поверхности раствора ионами, ускоренными в области приповерхностного скачка потенциала, вызывает образование химически активных частиц по механизму, сходному с радиационно-химическим [32]. В случае водных растворов в первую очередь образуются радикалы Н, ОН и сольватированные электроны. Ионы, выходящие из зоны плазмы, могут вступать во взаимодействие с молекулами растворителя, рекомбинировать и также образовывать радикалы. Кроме того, источником химической активации является и зона плазмы положительного столба разряда над pacтвором [32]. То есть, эффективность активации химических процессов в растворах под действием разряда определяются двумя факторами - бомбардировкой раствора ионами, ускоренными в области катодного падения потенциала и образования химически активных частиц в зоне плазмы над раствором.

Процессы окисления.

Окисление как органических, так и неорганических примесей, содержащихся в воде, возможно благодаря наличию в системе частиц-окислителей, таких как: радикал ОН и перекись водорода.

Окислители вступают во взаимодействие с молекулами примесей или продуктами их диссоциации с протекaнием окислительно-восстановительной реакции. При этом происходит глубокое окисление органических соединений с их деструкцией. Неорганические ионы иногда окисляются до высших степеней окисления. Окисление протекает геометрически неоднородно по реакционному объему - и глубина и интенсивность его уменьшаются по мере удаления от поверхности раздела фаз, что объясняется уменьшением концентрации окислителей из-за нестабильности частиц, а также из-за того, что процесс образования окислителей протекает преимущественно на границе раздела фаз.

Исследования показали, что время существования большинства реакционных частиц мало и измеряется долями секунды. При этом необходимо отметить, что время существования продуктов взаимодействия этих частиц с молекулами воды значительно выше.

Процесс окисления интенсифицируется регулированием рН - чем ниже он, тем больше потенциал окисления.

Выход окисления по неорганическим ионам повышается с добавкой инертных солей (сульфаты калия, натрия, аммония, магния, цинка, алюминия).

Также имеется указaние [32] на то, что насыщение раствора молекулярным кислородом не оказывает влияние на процесс. Главными продуктами окисления ионов аммония являются, при расположении анода в газовой фазе, гидразин, гидроксиламин, нитрит-ион.

При расположении анода в жидкой фазе образования пероксида водорода и гидразина не наблюдалось.

Образование нитрат-иона не наблюдалось ни в первом, ни во втором случае. В обоих случаях, газообразные продукты - азот и водород.

Процессы восстановления.

Катодные процессы можно охарактеризовать как восстановительные. Так при обработке разрядом соединений шестивалентного хрома происходит восстановление его до трехвалентного. Ионы серебра восстанавливаются до металлического состояния.

На процесс восстановления в этом случае предположительно оказывает влияние УФ-излучение.

Имеет место и электрохимическое восстановление.

В средах с рН выше 7 имеет место восстановление следующими восстановителями: 1) гидратированный электрон, 2) перекись водорода. При рН ниже 7 процесс инициируeтcя атомом водорода.

Процессу восстановления способствует перенос катода из электролита в газовую фазу. Катодное восстановление (катодное осаждение) происходит на границе раздела фаз раствор - плазма, в зоне анодного пятна. Исследования показали, что металлы, как правило, осаждаются не в чистом виде, а в виде оксидов. Восстановление хлоратов и броматов калия в нейтральном растворе идет до хлорид- и бромид - ионов, соответственно. Соединения шестивалентного хрома практически полностью восстанавливаются до трехвалентного хрома.

Процессы облучения.

Как показали исследования, существенное влияние на ход обработки воды оказывает:

· УФ-излучение, возникающее в условиях разряда. Излучение восстанавливает соединения. Так, например, ионы серебра восстанавливаются до металлического состояния. Эффективность воздействия уменьшаeтcя по мере удаления реакционной зоны от разряда. Облучение наиболее эффективно влияет на процесс обеззараживания воды.

· Радиочастотное излучение плазмы газового разряда. Это излучение оказывает серьёзное влияние на химические превращения в обрабатываемом растворе, а при модуляции более низкими частотами (десятки кГц), когда обеспечивается создание условий для параметрического взаимодействия в системе «раствор-плазма», и к структурным изменениям в растворе.

Процессы адсорбции.

При обработке жидкости разрядом низкoтемпературной плазмы имеет место также и явление адсорбции. Адсорбция обусловлена способностью осаждённых гидроксидов металлов, в особенности железа и алюминия, адсорбировать на своей поверхности различные частицы.

Образованию оксоколлекторных адсорбентов в частности, можно придать огромную роль при очистке oт радиoaктивных элементов, очистка при этом достигает большой эффективности. В ряде случаев их концентрация так низка, что не позволяет предположить очистку по механизму осаждения.

Имеются данные, указывающие, что адсорбция имеет место при осаждении металлов, в частности гидроксидов железа и алюминия, кoтoрые эффективно адсорбируют ионы мышьякa, селена, олова и т.д. Гидроксид магния является очень хорошим адсорбентом для анионов фтopа.

Помимо процесса адсорбции имеет место процесс соосаждения.

Эффективность процесса адсорбции и соосаждения увеличивается при уменьшении температуры.

Имеются данные, что адсорбции способствуют более низкие значения рН.

Процессы коагуляции.

При процессе обрабoтке вод содержащих в качестве примесей ионы железа и алюминия, огромную роль на эффективность очистки оказывают процессы коaгyляции.

Процесс коaгyляции способствует удалению из воды грубодисперсных и коллоидных примесей, таких как грубодисперсные (взвешенные) глинистые, кварцевые, известковые, гипсовые частицы, вещества живoтного и растительного происхождения, а также коллоидных - глин, соединений кремния и железа, серы, продуктов жизнедеятельности и распада микроорганизмов, гумусовых веществ.

Процесс коагуляции в основном влияет на освобождение воды от придающих ей мутность и окраску примесей.

Растворимoсть гидроксидов алюминия мала, они выделяются из раствора, образуя коллоидные частички, кoторые под влиянием находящихся в воде электролитов коaгyлируют, т.е. укрyпняются вследствие взаимного слипания. В результате этого образуются более или менее крупные хлопья, выпадающие в осадок вместе с коллоидами и тонкодисперсными взвесями, загрязняющими воду.

Слeдyeт отметить, что процесс удаления примесей по механизму коагуляции, при обрабoтке воды разрядами низкотемпературной плазмы, на несколько порядков эффективнее, чем коaгyляция классическим методом.

При наложении электрического поля на дисперсную систему, коагулирующую под влиянием электролитов, происходит ускорение кoaгyляции.

В поле постоянного тока ускоряются, например, процессы хлопьеобразования и осаждения коагулированных примесей.

Плазменное воздействие на растворы позволяет инициировать как гомогенные, так и гетерогенные процессы, представляющие практический интерес. Большое количество исследований посвящено проблеме очистки и обеззараживания воды с помощью различных типов газовых разрядов. Предполагается, что обеззараживающее действие импульсного электрического разряда в воде связано с несколькими факторами влияния на микроорганизмы. Под действием свободных атомов и радикалов происходит распад аминокислот и белка, деполяризация нуклеиновых кислот, расщепление других биологически активных веществ.

Кроме этого, непосредственное действие на микроорганизмы оказываает ударная волна и ультрафиолетовое излучение разряда в жидкости. Обеззараживающее действие продолжается длительное время после прекращения разрядной обработки (сутки, недели и более), что вызвано действием продуктов разложения микроорганизмов в активной фазе процесса.

Описание экспериментальной установки активации воды плазмой газового разряда

Активация воды плазмой газового разряда для целей настоящих исследований осуществлялась на установке плазменной активации водных растворов [33]. Схема экспериментальной установки приведена ниже на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема экспериментальной установки

1 - реактор;

2 - система ЭП, контроля и управления;

3 - система охлаждения анода;

4 - коллектор с форсунками;

5 - анод;

6 - резервуар для сбора активированной воды;

7 - насос для откачки активированной воды из резервуара;

8 - фильтр;

9 - трехходовой кран;

10 - вакуумная система;

11 -датчики контроля температуры;

12 -датчик давления;

13 -трубопровод.

Структурная схема установки плазменной активации приведена в таблице 2.

Таблица 2 - Структурная схема установки плазменной активации

Система электропитания, контроля, управления	Система вакуумирования	Гидравлическая система	Реактор
Блок электропитания и управления поджигом	Вакуумный насос	Водяной насос	Реакторная камера
Блок электропитания и управления рабочим разрядом на электроде	Датчики давления	ЭМ клапаны	Коллектор с форсунками
Контроллер	Дренажный клапан	Бак накопитель	Секционный анод
	Трубопроводы	Трубопроводы	Система охлаждения

1) Система электропитания, контроля, управления (Система ЭКУ) предназначена для обеспечения энергоснабжения и управления электрическими параметрами установки обработки водных растворов плазмой газового разряда, а именно:

· является источником питания по рабочим импульсам тока с функцией формирования импульсов заданной частоты и коэффициентом заполнения, и функцией ограничения тока;

· является источником питания по предионизирующему напряжению с функцией формирования импульсов предварительной ионизации с заданной частотой ;

· обеспечивает возможность установки, регулировки, индикации и контроля электрических параметров функционирования установки, по рабочему току: значения среднего тока (с функцией ограничения по току), частоты рабочих импульсов, коэффициента заполнения; по предионизирующему напряжению: частоты импульсов.

Система ЭКУ обеспечивает энергопитание плазмохимического реактора установки с шестью анодами с попарным питанием анодов (три пары).

2) Система вакуумирования предназначена для создания и поддержания в реакторной камере постоянного задаваемого пониженного давления в рабочем диапазоне 20-50 тор, а также обеспечивает измерение давления и контроль за величиной давления в камере.

3) Гидравлическая система предназначена для обеспечения циркуляции активируемой воды в установке (в том числе в циклическом режиме) с необходимым избыточным давлением 2.5-3 атмосферы, откачку активированной воды из вакуумируемой зоны.

4) Реактор - плазмохимический реактор предназначен для воздействия на активируемую воду плазмой несамостоятельного тлеющего разряда.

Газовый разряд создаётся в условиях относительного вакуума в остатках воздуха и парах воды между катодом, которым являются стенки цилиндрической камеры реактора, и шестисекционным анодом.

Активируемая вода подаётся в реактор под давлением через коллектор с форсунками, которые формируют на внутренней стенке реактора (поверхности анода) тонкую турбулентную плёнку из обрабатываемой плазмой воды, которая стекает по стенке реакторной камеры сквозь газовый разряд. Анод реактора постоянно охлаждается циркулирующим в системе охлаждения реактора маслом.

На фото 4 изображена экспериментальная установка плазменной активации, а на фото 5 газовый разряд в камере плазмохимического реактора, сфотографированный через прозрачную кварцевую крышку экспериментального реактора.



Фото 4 - Внешний вид установки плазменной активации воды

Фото 5 - Газовый разряд в камере плазмохимического реактора

Метод активации воды и водных растворов плазмой газового разряда.

Метод активации воды и водных растворов плазмой газового разряда [8]заключается в направленном изменении их структуры в сторону уменьшения размеров кластеров воды, модификации (изменении) ряда физических и химических характеристик, биологических свойств воды или водных растворов до требуемых значений.

Такая активация достигается путём одновременного воздействия на воду или водный раствор всей совокупности факторов плазмы газового разряда, в том числе: светового излучения в ИК-, видимой и УФ- областях спектра, радиочастотного излучения, ударных акустических волн, потока заряженных частиц, и, кроме того, дополнительно переменного или постоянного магнитного поля.

Подбор соответствующих частотных характеристик воздействия обеспечивает параметрический характер взаимодействия плазмы газового разряда с водой или водным раствором и соответственно повышает его эффективность. При этом достигнутое более высокое энергетическое состояние сохраняется относительно длительное время и устойчиво к внешним воздействиям в силу особенностей модифицированной структуры воды или водного раствора, включая молекулы и кластеры воды и содержащиеся в растворе примеси. Как следствие этого, активированная плазмой вода долговременно сохраняет свойства физической, химической и биологической активности.

Выбор параметров процесса активации воды плазмой и, соответственно, параметров газового разряда позволяет достичь требуемых и задаваемых параметров активированной плазмой воды или водного раствора в широком диапазоне допустимых значений последних.

Сама технология отличается от других -- большей частью заграничных -- технических решений применением особых типов газовых разрядов в плазмохимическом реакторе. «Воздействуя на воду, мы меняем ее структуру, -- утверждает Василий Бахар. -- Вода неоднородна и состоит из кластеров. “Живая” вода тем лучше, чем меньше размер кластера. Воздействуя на воду разрядом, мы уменьшаем размер кластеров».

«Оптимизация частотных характеристик импульсного электрического разряда позволила повысить эффективность очистки по многим группам загрязняющих веществ. А применение в качестве предионизирующего барьерного разряда привело к значительному повышению плотности тока и интенсивности обработки. Все это в совокупности обусловило более высокую эффективность очистки, чем при других методах обработки растворов плазмой», -- говорит Василий Бахар.

Если говорить более научными словами, при определенных режимах в процессе плазменной обработки происходит активация воды, и она приобретает стабильные во времени и устойчивые к внешним воздействиям новые или модифицированные физические, биологические и химические свойства. Эти свойства зависят от режимов обработки и, конечно, как и при очистке, от химического состава обрабатываемого водного раствора. В отличие от зарубежных аналогов “живой” воды, кроме того, что ее можно недорого получать в больших количествах -- это кубометры, а не миллилитры, ее еще можно хранить длительное время -- не сутки, но месяцы и годы. Вода стабильна во времени, как уже говорили, до двух лет, и устойчива к внешним воздействиям».

Активированная плазмой вода приобретает сильно выраженные антибактерицидные и антивирусные свойства, сохраняющиеся в течение длительного срока. Еще такая вода сохраняет свои свойства при переводе в так называемую паровую фазу или при многократном замораживании-размораживании.

Если снова перейти на более сложный язык: на микробиологическом уровне активированная вода обладает сильным антиоксидантным действием, при этом прекрасно сочетается с другими антиоксидантами (и даже усиливает их действие). Активированная плазмой вода хорошо сочетается с большинством известных ферментов и катализирует большинство реакций с их участием [18].

В опытно-промышленных масштабах реализованы плазмохимические процессы получения ацетилена и технического водорода из природного газа, этилена и ацетилена из бензина и других жидких углеводородов, а также из сырой нефти и угля; производство синтез-газа, состоящего из ацетилена и этилена, для получения винил-хлорида; фиксация атмосферного азота в производстве слабой азотной кислоты; получение технического углерода, пигментного TiO₂, ультрадисперсных порошков Al, Ti, Si, W, их оксидов, нитридов, боридов, карбидов и др. (многие из ультрадисперсных материалов невозможно получить в рамках традиционных технологий). Осуществлена переработка отходов хлор- и фторорганических, целлюлозно-бумажных, нефтехимических, полимерных и других производств.

Плазмохимическую технологию используют для получения озона, фторидов металлов, оксидов азота и др., используют в основном для осуществления гетерофазных процессов: получения и травления тонких пленок из органических и неорганических материалов, обработки и модификации поверхности изделий с целью придания им требуемых эксплуатационных свойств (антикоррозионных, термостойких, износостойких, антифрикционных и т.п.) [21,22,23,24].

Заключение

вода хлебобулочный плазмохимический активация

В настоящий момент совершенствуется научное оборудование и методы исследований, и на каждом этапе развития науки и техники открываются новые удивительные свойства воды. В настоящее время о воде известно очень много - наверное, в природе не существует химического соединения, о котором было бы накоплено больше научной информации, чем о воде. Несмотря на это можно с уверенностью говорить о том, что природа этого вещества ещё не познана до конца.

Проанализировав материалы, изложенные в обзоре литературы, можно сделать вывод о том, что межмолекулярные образования воды имеют определенную структуру, и для них характерны структурно - информационные характеристики, которые обусловлены способностью ее молекул образовывать ассоциаты, кластеры и клатраты, в структуре которых кодируется информация о взаимодействиях, имевших или имеющих место с данным образцом воды. Изменение структурно - информационных характеристик воды приводит к изменению ее различных показателей и свойств. Эти изменения связаны с тем, что вода обладает свойством аквакоммуникации - способностью воспринимать, передавать и сохранять информацию. На основе этого свойства разработаны различные методы обработки и структурирования воды.

В производстве хлеба, как главном продукте питания, предпринимались попытки очистки и изменения свойств воды под воздействием различных факторов физической природы таких, как: термообработка, дегазация, ультрамикрокавитация, ионизация воды серебром, оптические воздействия, электромагнитные поля, поле токов СВЧ, электрохимическая обработка, озонирование, мембранная фильтрация, обратный осмос и т.д. Наиболее интересным и прогрессивным является обработка воды методом плазмохимической активации.

Структура воды существенно влияет на прохождение различных процессов. Изменение энтропии (структуры) воды заставляет их протекать несколько иначе. Другими словами, структурирование воды -- это вспомогательное средство, приводящее к снижению энергетических затрат, затрат сырья или реагентов водоподготовки, уменьшению объема выбросов жидких и газообразных отходов.

Структурированная вода обладает поистине уникальными свойствами, что помогает более эффективно использовать её как в быту, так и в любых отраслях промышленности.

2. Экспериментальная часть

2.1 Цель и задачи эксперимента

Хлеб и хлебобулочные изделия являются наиболее распространенным продуктом питания. И всегда актуальной являлась задача повышения качества хлебобулочных изделий и продления сроков их хранения. А такой фактор, как обеспечение безопасности продуктов питания играет особую роль в сохранении и поддержании здоровья человека в современных условиях, так как зачастую продукты и питьевая вода загрязнены вредными веществами. Поэтому необходимо проводить строгий контроль качества поступающего на производство сырья и водопроводной воды, а также применять специальные методы очистки.

В данной научно-исследовательской работе рассматривается обработка питьевой воды методом плазмохимической активации. Метод плазмохимической активации воды заключается в направленном изменении структуры и свойств воды, разрушении кластерных структур для насыщения воды мономолекулами. У активированной воды структурная сетка водородных связей разрыхляется, молекулы воды обретают дополнительные степени свободы, что облегчает усвоение такой активированной воды клетками живых организмов.

Кластер активированной воды содержит 5-6 молекул (обычная вода 13-16 молекул). Такая вода считается более активной по биофизическим и биологическим показателям.

Активированная вода эффективно используется в биохимических реакциях без затраты организмом энергии на эту процедуру. Вода с измельченными кластерами обладает более высокими реактивными и растворяющими свойствами, лучше проникает через биологические мембраны, обладает высокой текучестью и растворяющей способностью.

Целью данной научно-исследовательской работы является использование воды, обработанной методом плазмохимической активации, в технологии хлебобулочных изделий.

В соответствии с намеченной целью в работе были поставлены следующие задачи:

1. Определение свойств воды, обработанной плазмой;

2. Определение влияния обработанной воды на свойства сырья;

3. Определение влияния обработанной воды на свойства теста и качества готового хлеба;

4. Исследование влияния обработанной воды на развитие картофельной болезни;

5. Исследование влияния обработанной воды на плесневение хлеба

2.2 Объекты и методы исследований

2.2.1 Методы определения качества сырья

При оценке качества муки проводились исследования влажности, кислотности, количества и качества клейковины, а так же органолептических показателей в соответствии с ГОСТ.

Определение влажности муки (ГОСТ 9404-88)

Определение влажности муки осуществляется воздушно-тепловым методом, заключающемся в обезвоживании муки в воздушно-тепловом шкафу СЭШ- 3М при фиксированных параметрах температуры и продолжительности сушки.

Пробу муки, выделенную из средней пробы по ГОСТ 27668, тщательно перемешивают, встряхивают емкость, отбирают совком из разных мест и помещают в две предварительно взвешенные бюксы навески муки массой 5,00±0,1 г, после чего бюксы закрывают крышками и ставят в эксикатор. По достижении в камере сушильного шкафа температуры 130єС отключают термометр и разогревают шкаф до 140єС. Затем включают термометр и быстро помещают открытые бюксы с навесками муки в шкаф, устанавливая бюксы на снятые с них крышки. Свободные гнезда шкафа заполняют пустыми бюксами.

Муку высушивают в течение 40 минут, считая с момента восстановления температуры 130єС. Допускается не разогревать сушильный шкаф до 140єС, если после полной загрузки сушильного шкафа температура 130єС восстанавливается в течение 5-10 минут.

По окончании высушивания бюксы с продуктом вынимают из шкафа тигельными щипцами, закрывают крышками и переносят в эксикатор для полного охлаждения, примерно на 20 минут (но не более 2 ч). Охлажденные бюксы взвешивают с погрешностью не более 0,01 г и помещают в эксикатор до окончания обработки результатов анализа.

Влажность муки вычисляют по формуле (1):

(1)

где Х - влажность муки, %;

m - масса навески муки до высушивания, г;

m₁ - масса навески после высушивания, г.

Определение кислотности муки (ГОСТ 27493-87)

Определение кислотности муки по болтушке осуществляют титрованием гидроокисью натрия всех кислореагирующих веществ муки. Для этого из пробы муки, предназначенной для испытаний, берут две навески массой (5±0,1) г каждая. Навеску муки высыпают в сухую коническую колбу и приливают (50,0±0,1) см³ дистиллированной воды для приготовления болтушки из пшеничной муки. Содержимое колбы немедленно перемешивают взбалтыванием до исчезновения комочков. В полученную болтушку из пшеничной муки добавляют 3 капли 3%-ного спиртового раствора фенолфталеина. Затем смесь взбалтывают и титруют раствором гидроокиси натрия концентрацией 0,1 моль/дм³. Титрование ведется каплями равномерно, с замедлением в конце реакции при постоянном взбалтывании содержимого колбы до появления ясно розового окрашивания, не исчезающего при спокойном стоянии колбы в течение 20-30 секунд.

Кислотность каждой навески муки в градусах кислотности определяют объемом 0,1 моль/дм³ раствора гидроокиси натрия, требующегося для нейтрализации кислоты в 100 г муки, и по формуле (2):

(2)

где Х - кислотность муки, град;

,V - объем раствора гидроокиси натрия концентрацией 0,1 моль/дм³ (с учетом поправочного коэффициента к титру гидроокиси натрия), использованный на титрование, см³;

m - масса навески продукта, г;

1/10 - коэффициент пересчета 0,1 моль/дм³ раствора щелочи на 1 моль/дм³.

Определение количества и качества клейковины муки (ГОСТ 27839-88)

Количество и качество клейковины является наиболее важным показателем качества пшеничной муки.

Для определения данных показателей отвешивают 25 г муки с точностью до 0,1 г и помещают в фарфоровую чашку, куда вливают 14 мл воды температурой 18±2єС. Затем замешивают тесто и оставляют его в покое при температуре 18±2єС на 20 минут.

По истечении времени отмывают клейковину под слабой струей воды температурой 18±2єС над густым ситом.

Отмытую клейковину взвешивают с точностью до 0,01 г. Количество сырой клейковины вычисляют по формуле (3):