Las máquinas de pan obtienen mucho

¿Podría la física ayudarnos a hacer mejor pan? Sí, dicen investigadores de la Universidad Técnica de Munich en Alemania. Sus hallazgos, basados ​​en una simulación 3D del amasado de masa en una amasadora industrial, revelan que las técnicas de mezclado radial funcionan mejor que el mezclado vertical, y que un dispositivo con un brazo en espiral muy curvado o dos brazos en espiral que imiten el amasado a mano podría hacer una masa que está bien aireado, absorbe bien el agua y es elástico.

La masa de pan contiene cuatro ingredientes principales: harina, agua, sal y un agente leudante como la levadura. El amasado desarrolla la red de gluten de la masa y produce un material que se comporta de una manera entre un líquido viscoso y un sólido elástico cuando se deforma. El amasado también incorpora aire a la masa, lo cual es importante para que suba una vez que está en el horno.

Como recordarán los lectores habituales de Physics World, tanto los panaderos profesionales como los aficionados –físicos o no– saben que la masa de pan debe amasarse durante el tiempo justo y de una manera particular, para producir la textura deseada. Amasar demasiado produce una masa densa y apretada que absorbe menos agua y no sube en el horno. Amasar poco es igual de catastrófico, ya que reduce la capacidad de la masa para retener esas preciosas burbujas de aire.

Aunque el hombre elabora pan desde hace 8.000 años, aún falta información precisa sobre los cambios que se producen durante el amasado y su efecto en la calidad de la masa. Ahora, sin embargo, investigadores dirigidos por Natalie Germann han realizado simulaciones por ordenador en 3D de masa de pan que tienen en cuenta tanto sus propiedades viscosas como elásticas, al tiempo que tienen en cuenta la superficie libre que se forma entre el aire y la masa cuando se amasa en una máquina industrial. Amasadora de espiral 3D.

Para simular la viscosidad de la masa, Germann y sus colegas utilizaron un modelo de White-Metzner monomodo, que es bueno para predecir el comportamiento reológico (flujo) de materiales viscoelásticos bajo altas velocidades de corte y en todas las dimensiones. Combinaron este modelo con un modelo de Bird-Carreau modificado, que describe la masa en una amplia gama de velocidades de corte. Este último modelo simula cómo se deforma la masa en función de su viscosidad y del tiempo que tarda en relajarse.

Para que las predicciones de su modelo sean lo más realistas posible, el equipo lo aplicó a geometrías computarizadas basadas en las dimensiones y estructuras de amasadoras industriales del mundo real. También realizaron experimentos destinados a generar parámetros de entrada realistas para el modelo y probar sus predicciones.

Estos experimentos se llevaron a cabo utilizando una amasadora industrial que consta de un brazo espiral giratorio y una varilla estacionaria. Los investigadores prepararon su masa de pan mezclando 500 g de harina de trigo tipo 550, 296 g de agua descalcificada y 9 g de sal en una amasadora de espiral Diosna SP12. Premezclaron la masa durante 60 segundos a una velocidad de 25 Hz antes de mezclarla durante 300 segundos a 50 Hz. El brazo amasador se movía en la misma dirección que el bol pero a una velocidad de rotación 6,5 veces mayor. Para evitar la pérdida de humedad y la evaporación, la masa terminada se cubrió con una película plástica y se dejó reposar durante 20 minutos antes de realizar mediciones de reología y tensiometría.

Aunque Germann y sus compañeros pudieron utilizar un reómetro comercial (un Anton Paar MCR 502) para medir cómo fluía la masa a 24 °C, medir la tensión superficial de la masa resultó más difícil. Estas mediciones no se pueden realizar directamente porque es necesaria una interfaz líquido-aire. Para superar este problema, los investigadores colocaron una capa de solución salina líquida sobre la superficie de la masa y midieron la tensión superficial de esta solución a medida que se difundía en la fase líquida de la masa.

Las simulaciones resultantes proporcionaron información valiosa sobre los procesos que ocurren dentro de la masa y en su superficie, como la forma en que se incorpora el aire a la masa y cómo se forman y rompen las “bolsas de masa” (o grumos). El modelo también reprodujo algunos comportamientos macroscópicos de la masa que el equipo observó en sus experimentos. Por ejemplo, la elasticidad de la masa le permite superar las fuerzas gravitacionales y centrífugas durante el amasado, lo que significa que la masa "migra" hacia la varilla giratoria antes de subir por ella. Este fenómeno de la escalada con caña está bien descrito por los modelos del equipo de Munich.

La física del pan.

Como paso final, el equipo comparó los resultados de sus simulaciones con capturas de pantalla de una cámara de vídeo de alta velocidad que registró el proceso de amasado en el laboratorio. En estas tomas, observaron la masa convección alrededor de la varilla estacionaria interior gracias a la rotación del recipiente cilíndrico exterior. También observaron patrones de flujo en espiral creados por el brazo amasador en espiral ubicado entre la varilla estacionaria y el recipiente.

En su artículo, publicado en Physics of Fluids, los investigadores informan que su modelo predice con precisión los valores observados experimentalmente para la curvatura de la superficie libre de estos patrones de flujo en espiral. También informan que pueden predecir la formación, extensión y ruptura de las bolsas de masa utilizando su enfoque numérico.

Los investigadores afirman que su trabajo representa un avance con respecto a estudios anteriores que sólo consideraban las propiedades puramente viscosas de la masa de pan. Los trabajos anteriores también restringieron sus simulaciones a geometrías simplificadas, como una configuración de cilindro concéntrico, explica Germann. Estas simplificaciones significaron que los efectos de tensión normales responsables del fenómeno de ascenso de la varilla estaban ausentes, porque no se tuvo en cuenta la elasticidad del material.

"Nuestras simulaciones por ordenador mostraron que el mezclado vertical no es tan bueno como el mezclado radial en la amasadora de espiral que consideramos en nuestro trabajo", dice Germann. "En el futuro, el rendimiento de la mezcla se puede mejorar mediante el uso de un brazo espiral más curvado o dos brazos espirales similar al amasado a mano".