Brotmaschinen bekommen viel

Könnte uns die Physik helfen, besseres Brot zu backen? Ja, sagen Forscher der Technischen Universität München in Deutschland. Ihre Ergebnisse – basierend auf einer 3D-Simulation des Teigknetens in einem Industriekneter – zeigen, dass radiale Mischtechniken besser funktionieren als vertikales Mischen und dass ein Gerät mit einem stark gebogenen Spiralarm oder zwei Spiralarmen, die das Kneten von Hand nachahmen, Teig so herstellen könnte ist gut durchlüftet, nimmt Wasser gut auf und ist elastisch.

Brotteig besteht aus vier Hauptzutaten: Mehl, Wasser, Salz und einem Treibmittel wie Hefe. Durch das Kneten entwickelt sich das Glutennetzwerk des Teigs und es entsteht ein Material, das sich bei Verformung irgendwo zwischen einer viskosen Flüssigkeit und einem elastischen Feststoff verhält. Durch das Kneten gelangt auch Luft in den Teig, die wichtig ist, damit er nach dem Backen im Ofen aufgehen kann.

Wie sich regelmäßige Leser von Physics World erinnern werden, wissen sowohl professionelle als auch erfahrene Hobbybäcker – Physiker oder nicht –, dass Brotteig genau für die richtige Zeit und auf eine bestimmte Weise geknetet werden muss, um die gewünschte Textur zu erhalten. Durch Überkneten entsteht ein dichter und fester Teig, der Wasser weniger gut aufnimmt und im Ofen nicht aufgeht. Zu wenig Kneten ist ebenso katastrophal und verringert die Fähigkeit des Teigs, diese wertvollen Luftblasen festzuhalten.

Obwohl der Mensch schon seit 8000 Jahren Brot backt, fehlen noch genaue Informationen über die Veränderungen beim Kneten und deren Auswirkungen auf die Teigqualität. Jetzt haben Forscher um Natalie Germann jedoch 3D-Computersimulationen von Brotteig durchgeführt, die sowohl seine viskosen als auch seine elastischen Eigenschaften berücksichtigen und gleichzeitig die freie Oberfläche berücksichtigen, die sich zwischen Luft und Teig bildet, wenn dieser in einer Industrie geknetet wird 3D-Spiralkneter.

Um die Viskosität des Teigs zu simulieren, verwendeten Germann und Kollegen ein Single-Mode-White-Metzner-Modell, das das rheologische (Fließ-)Verhalten viskoelastischer Materialien bei hohen Schergeschwindigkeiten und in allen Dimensionen gut vorhersagen kann. Sie kombinierten dieses Modell mit einem modifizierten Bird-Carreau-Modell, das den Teig über einen weiten Bereich von Schergeschwindigkeiten beschreibt. Letzteres Modell simuliert, wie sich der Teig abhängig von seiner Viskosität verformt und wie lange es dauert, bis er sich entspannt.

Um die Vorhersagen ihres Modells so realistisch wie möglich zu machen, wandte das Team es auf computergestützte Geometrien an, die auf den Abmessungen und Strukturen realer Industriekneter basierten. Sie führten außerdem Experimente durch, die darauf abzielten, realistische Eingabeparameter für das Modell zu generieren und seine Vorhersagen zu testen.

Diese Experimente wurden mit einem Industriekneter durchgeführt, der aus einem rotierenden Spiralarm und einem stationären Stab besteht. Die Forscher bereiteten ihren Brotteig vor, indem sie 500 g Weizenmehl Typ 550, 296 g entkalktes Wasser und 9 g Salz in einem Diosna SP12-Spiralmischer vermischten. Sie haben den Teig 60 Sekunden lang bei einer Geschwindigkeit von 25 Hz vorgemischt, bevor sie ihn 300 Sekunden lang bei 50 Hz gemischt haben. Der Knetarm bewegte sich in die gleiche Richtung wie die Schüssel, jedoch mit einer 6,5-fach höheren Rotationsgeschwindigkeit. Um Feuchtigkeitsverlust und Verdunstung zu verhindern, wurde der fertige Teig mit einer Plastikfolie abgedeckt und 20 Minuten ruhen gelassen, bevor Rheologie- und Tensiometriemessungen durchgeführt wurden.

Obwohl Germann und Mitarbeiter mit einem handelsüblichen Rheometer (Anton Paar MCR 502) messen konnten, wie ihr Teig bei 24 °C floss, erwies sich die Messung der Oberflächenspannung des Teigs als schwieriger. Solche Messungen konnten nicht direkt durchgeführt werden, da eine Flüssigkeit-Luft-Grenzfläche erforderlich ist. Um dieses Problem zu lösen, legten die Forscher eine Schicht flüssiger Salzlösung auf die Teigoberfläche und maßen die Oberflächenspannung dieser Lösung, während sie in die flüssige Phase des Teigs diffundierte.

Die daraus resultierenden Simulationen lieferten wertvolle Einblicke in die Prozesse, die im Inneren des Teigs und auf seiner Oberfläche ablaufen, beispielsweise die Art und Weise, wie Luft in den Teig eindringt und wie sich „Teigtaschen“ – oder Klumpen – bilden und auflösen. Das Modell reproduzierte auch einige makroskopische Teigverhaltensweisen, die das Team in seinen Experimenten beobachtete. Die Elastizität des Teigs ermöglicht es ihm beispielsweise, beim Kneten die Schwerkraft und Zentrifugalkräfte zu überwinden, sodass der Teig in Richtung der rotierenden Stange „wandert“, bevor er an dieser hochklettert. Dieses Phänomen des Stabkletterns wird durch die Modelle des Münchner Teams gut beschrieben.

Die Physik des Brotes

Als letzten Schritt verglich das Team die Ergebnisse ihrer Simulationen mit Screenshots einer Hochgeschwindigkeits-Videokamera, die den Teigknetvorgang im Labor aufzeichnete. In diesen Aufnahmen beobachteten sie, wie sich der Teig dank der Drehung der äußeren zylindrischen Schüssel um die innere stationäre Stange konvektionierte. Sie beobachteten auch spiralförmige Strömungsmuster, die durch den spiralförmigen Knetarm zwischen dem stationären Stab und der Schüssel erzeugt wurden.

In ihrer Arbeit, die in Physics of Fluids veröffentlicht wurde, berichten die Forscher, dass ihr Modell die experimentell beobachteten Werte für die Krümmung der freien Oberfläche dieser spiralförmigen Strömungsmuster genau vorhersagt. Sie berichten auch, dass sie mithilfe ihres numerischen Ansatzes die Bildung, Ausdehnung und Auflösung von Teigtaschen vorhersagen können.

Die Forscher sagen, dass ihre Arbeit einen Fortschritt gegenüber früheren Studien darstellt, die nur die rein viskosen Eigenschaften von Brotteig berücksichtigten. Auch frühere Arbeiten beschränkten ihre Simulationen auf vereinfachte Geometrien, etwa einen konzentrischen Zylinderaufbau, erklärt Germann. Diese Vereinfachungen führten dazu, dass die für das Stabkletterphänomen verantwortlichen Normalspannungseffekte fehlten, da die Elastizität des Materials nicht berücksichtigt wurde.

„Unsere Computersimulationen haben gezeigt, dass das vertikale Mischen nicht so gut ist wie das radiale Mischen im Spiralkneter, den wir in unserer Arbeit betrachtet haben“, sagt Germann. „In Zukunft kann die Mischleistung durch die Verwendung eines stärker gebogenen Spiralarms oder zweier Spiralarme ähnlich wie beim Kneten von Hand verbessert werden.“