빵 기계는 많은 것을 얻습니다

물리학이 더 나은 빵을 만드는 데 도움이 될 수 있을까요? 그렇습니다. 독일 뮌헨 공과대학의 연구자들은 말합니다. 산업용 반죽기에서 반죽을 반죽하는 3D 시뮬레이션을 기반으로 한 그들의 발견은 방사형 혼합 기술이 수직 혼합보다 더 잘 작동하며 손으로 반죽하는 것을 모방하는 곡선이 큰 나선형 팔 또는 두 개의 나선형 팔이 있는 장치가 다음과 같은 반죽을 만들 수 있음을 보여줍니다. 통기성이 좋고 물을 잘 흡수하며 탄력이 있습니다.

빵 반죽에는 밀가루, 물, 소금, 효모와 같은 발효제의 네 가지 주요 성분이 들어 있습니다. 반죽을 하면 반죽의 글루텐 네트워크가 발달하고 변형 시 점성 액체와 탄성 고체 사이에서 거동하는 물질이 생성됩니다. 반죽을 하면 반죽에 공기가 들어가게 되는데, 이는 오븐에 넣은 후 반죽을 부풀게 만드는 데 중요합니다.

Physics World의 일반 독자라면 물리학자든 아니든 전문 제빵사와 숙련된 아마추어 제빵사 모두 원하는 질감을 얻으려면 빵 반죽을 적절한 시간 동안 특정 방식으로 반죽해야 한다는 것을 알고 있습니다. 과도하게 반죽하면 물을 덜 잘 흡수하고 오븐에서 부풀지 않는 조밀하고 촘촘한 반죽이 생성됩니다. 덜 반죽하는 것도 마찬가지로 재앙적이며, 귀중한 기포를 붙잡는 반죽의 능력을 감소시킵니다.

인류는 8000년 동안 빵을 만들어왔지만, 반죽하는 동안 일어나는 변화와 그것이 반죽의 품질에 미치는 영향에 대한 정확한 정보는 아직 부족합니다. 그러나 이제 Natalie Germann이 이끄는 연구원들은 빵 반죽의 점성과 탄성 특성을 모두 고려하는 동시에 산업 공정에서 반죽할 때 공기와 반죽 사이에 형성되는 자유 표면도 고려하는 빵 반죽의 3D 컴퓨터 시뮬레이션을 수행했습니다. 3D 나선형 반죽기.

반죽의 점도를 시뮬레이션하기 위해 Germann과 동료들은 단일 모드 White-Metzner 모델을 사용했습니다. 이 모델은 모든 치수에서 높은 전단 속도에서 점탄성 물질의 유변학적(유동) 거동을 예측하는 데 적합합니다. 그들은 이 모델을 다양한 전단 속도에 따른 반죽을 설명하는 수정된 Bird-Carreau 모델과 결합했습니다. 후자의 모델은 점도와 반죽이 이완되는 데 걸리는 시간에 따라 반죽이 어떻게 변형되는지를 시뮬레이션합니다.

모델의 예측을 최대한 현실적으로 만들기 위해 팀은 실제 산업용 반죽기의 치수와 구조를 기반으로 하는 컴퓨터 형상에 모델을 적용했습니다. 그들은 또한 모델에 대한 현실적인 입력 매개변수를 생성하고 예측을 테스트하기 위한 실험을 수행했습니다.

이 실험은 회전하는 나선형 암과 고정 막대로 구성된 산업용 반죽기를 사용하여 수행되었습니다. 연구진은 Diosna SP12 나선형 믹서에서 500g의 550형 밀가루, 296g의 석회질 제거수 및 9g의 소금을 혼합하여 빵 반죽을 준비했습니다. 그들은 반죽을 25Hz의 속도로 60초 동안 미리 혼합한 후 50Hz에서 300초 동안 혼합했습니다. 반죽 암은 그릇과 같은 방향으로 움직이지만 회전 속도는 6.5배 더 빠릅니다. 수분 손실 및 증발을 방지하기 위해 완성된 반죽을 플라스틱 필름으로 덮고 20분간 방치한 후 유변학 및 장력 측정을 수행했습니다.

Germann과 동료들은 상업용 유변계(Anton Paar MCR 502)를 사용하여 반죽이 24°C에서 어떻게 흐르는지 측정할 수 있었지만 반죽의 표면 장력을 측정하는 것은 더 어려웠습니다. 액체-공기 인터페이스가 필요하기 때문에 이러한 측정을 직접 수행할 수 없습니다. 이 문제를 극복하기 위해 연구진은 반죽 표면에 액체 소금 용액 층을 놓고 이 용액이 반죽의 액체 상태로 확산될 때 이 용액의 표면 장력을 측정했습니다.

결과 시뮬레이션은 공기가 반죽에 통합되는 방식, "반죽 주머니"(또는 덩어리)가 형성되고 부서지는 방식 등 반죽 내부와 표면에서 발생하는 과정에 대한 귀중한 통찰력을 제공했습니다. 이 모델은 또한 팀이 실험에서 관찰한 몇 가지 거시적인 반죽 동작을 재현했습니다. 예를 들어, 반죽의 탄력성은 반죽하는 동안 중력과 원심력을 극복할 수 있게 해줍니다. 즉, 반죽이 올라가기 전에 회전하는 막대를 향해 "이동"합니다. 이러한 로드 클라이밍 현상은 뮌헨 팀의 모델에서 잘 설명됩니다.