Le macchine per il pane ottengono molto

La fisica potrebbe aiutarci a produrre un pane migliore? Sì, affermano i ricercatori dell'Università Tecnica di Monaco in Germania. I loro risultati, basati su una simulazione 3D dell’impasto in un’impastatrice industriale, rivelano che le tecniche di miscelazione radiale funzionano meglio della miscelazione verticale e che un dispositivo con un braccio a spirale molto curvo o due bracci a spirale che imitano l’impasto a mano potrebbe produrre un impasto che è ben aerato, assorbe bene l'acqua ed è elastico.

L'impasto del pane contiene quattro ingredienti principali: farina, acqua, sale e un agente lievitante come il lievito. L'impasto sviluppa la rete glutinica dell'impasto e produce un materiale che quando si deforma si comporta tra un liquido viscoso e un solido elastico. L'impasto incorpora anche aria nell'impasto, importante per farlo lievitare una volta in forno.

Come ricorderanno i lettori abituali di Physics World, sia i panettieri professionisti che quelli dilettanti – fisici o meno – sanno che l’impasto del pane deve essere impastato per il giusto periodo di tempo e in un modo particolare per produrre la consistenza desiderata. Impastando troppo si ottiene un impasto denso e teso che assorbe meno bene l'acqua e non lievita in forno. L'impasto è altrettanto catastrofico, poiché riduce la capacità dell'impasto di trattenere quelle preziose bolle d'aria.

Sebbene l'uomo produca il pane da 8000 anni, mancano ancora informazioni precise sui cambiamenti che avvengono durante l'impasto e sul loro effetto sulla qualità dell'impasto. Ora, tuttavia, i ricercatori guidati da Natalie Germann hanno eseguito simulazioni computerizzate 3D dell’impasto del pane che tengono conto sia delle sue proprietà viscose che elastiche, tenendo conto anche della superficie libera che si forma tra l’aria e l’impasto quando viene impastato in un impianto industriale. Impastatrice a spirale 3D.

Per simulare la viscosità dell’impasto, Germann e colleghi hanno utilizzato un modello White-Metzner monomodale, che è efficace nel prevedere il comportamento reologico (flusso) dei materiali viscoelastici con velocità di taglio elevate e in tutte le dimensioni. Hanno combinato questo modello con un modello Bird-Carreau modificato, che descrive l’impasto su un’ampia gamma di velocità di taglio. Quest'ultimo modello simula la deformazione dell'impasto in funzione della sua viscosità e del tempo necessario affinché si rilassi.

Per rendere le previsioni del modello quanto più realistiche possibile, il team lo ha applicato a geometrie computerizzate basate sulle dimensioni e sulle strutture delle impastatrici industriali del mondo reale. Hanno inoltre condotto esperimenti volti a generare parametri di input realistici per il modello e a testarne le previsioni.

Questi esperimenti sono stati condotti utilizzando un'impastatrice industriale composta da un braccio a spirale rotante e un'asta fissa. I ricercatori hanno preparato l’impasto del pane mescolando 500 g di farina di grano tenero tipo 550, 296 g di acqua decalcificata e 9 g di sale in un’impastatrice a spirale Diosna SP12. Hanno premiscelato l'impasto per 60 secondi ad una velocità di 25 Hz prima di mescolarlo per 300 secondi a 50 Hz. Il braccio impastatore si muoveva nella stessa direzione della ciotola ma ad una velocità di rotazione 6,5 volte superiore. Per prevenire la perdita di umidità e l’evaporazione, l’impasto finito è stato coperto con una pellicola di plastica e lasciato riposare per 20 minuti prima di eseguire le misurazioni di reologia e tensiometria.

Sebbene Germann e colleghi siano riusciti a utilizzare un reometro commerciale (un Anton Paar MCR 502) per misurare il flusso dell'impasto a 24 °C, misurare la tensione superficiale dell'impasto si è rivelato più difficile. Tali misurazioni non possono essere effettuate direttamente perché è necessaria un'interfaccia liquido-aria. Per superare questo problema, i ricercatori hanno posizionato uno strato di soluzione salina liquida sulla superficie dell’impasto e hanno misurato la tensione superficiale di questa soluzione mentre si diffondeva nella fase liquida dell’impasto.

Le simulazioni risultanti hanno fornito preziose informazioni sui processi che avvengono all’interno dell’impasto e sulla sua superficie, come il modo in cui l’aria viene incorporata nell’impasto e come si formano e si disgregano le “tasche dell’impasto” – o grumi. Il modello ha riprodotto anche alcuni comportamenti macroscopici dell’impasto che il team ha osservato nei loro esperimenti. Ad esempio, l'elasticità dell'impasto gli permette di vincere le forze gravitazionali e centrifughe durante l'impasto, facendo sì che l'impasto “migra” verso l'asta rotante prima di risalirvi. Questo fenomeno dell'arrampicata con la canna è ben descritto dai modelli del team di Monaco.