Rheological properties of wheat flour doughs

Summary

A comparative study was made of the large deformation and rupture properties of doughs from a medium strength and a weak wheat flour. Experiments were made by stretching, at a uniform rate, dough rings immersed in a liquid of matching density to prevent the rings from deforming under their own weight. Data were obtained on doughs differing in water content at temperatures from 5 to 45 °C and extension rates from 0.132 to 52.6 inches per minute.

Essentially, the tensile properties of each dough could be represented by four characteristic functions, each dependent on only one of the variables: strain, time, temperature, and water content. The strain functionΓ (λ), equaled (Inλ)/λ, whereλ is the extension ratio, for extensions up to about 90% and, in some instances, up to nearly 200%. Thus, over extended ranges of strain, isochronal stress-strain data (representing comparable states of stress relaxation) gave a direct proportionality between true stress and theHencky strain,ε _H=Inλ; the proportionality constant is the constant strain rate modulus,F (t^*), evaluated at the (isochronal) timet ^*. The modulusF(t,T,W — a function of timet, temperatureT, and water absorptionW-equals (T/T ₀)F (t ^*,T ₀,W ₀) (t/t ^* a _T a _W)ⁿ, wheren is a negative constant characteristic of the flour,F (t ^*,T ₀,W ₀) is the modulus at timet ^* at the reference temperatureT ₀ for a dough having the reference water absorptionW ₀;a _T anda _W are shift factors that account for the change of relaxation times with temperature and water content. The factor ay obeyed theArrhenius equation and gave activation energies of about 7.7 and 22.8 kcal for doughs from the medium strength and weak flour, respectively. Rupture data obtained at different temperatures and extension rates were superposed by usinga _T data and also were represented by failure envelopes. The shift factora _W appears to depend somewhat on temperature, especially for the weaker flour.

Differences in the rheological behavior of doughs from the two flours were evident in: (1) the range over which the isochronal stress-strain behavior could be linearized; (2) the magnitude of the characteristic exponentn; (3) the magnitude and the temperature dependence of the moduli; (4) the activation energies; (5) the effect of temperature ona _W; and (6) several characterizing plots prepared to represent rupture data.

Zusammenfassung

Es wurde eine Vergleichsuntersuchung betreffend große Verformungen und Brucheigenschaften von Teigen aus zwei Weizenmehltypen durchgeführt. Die Versuche wurden in der Weise ausgeführt, daß man Teigringe, die in eine Flüssigkeit von entsprechender Dichte eingetaucht waren, um zu verhindern, daß sich die Ringe unter der Wirkung ihres eigenen Gewichtes verformten, mit gleichbleibender Geschwindigkeit streckte. Es wurden Werte für verschiedene Teige ermittelt, die sich durch ihren Wassergehalt unterschieden, und zwar bei Temperaturen von 5–45 °C und Dehnungsgeschwindigkeiten von 0,132–52,6 Zoll pro Minute.

Die Zugeigenschaften eines jeden Teiges konnten im wesentlichen durch vier charakteristische Funktionen dargestellt werden, von denen jede lediglich von einer der Veränderlichen: Verformung, Zeit, Temperatur und Wassergehalt abhing. Die Verformungsfunktion Γ(λ) war gleich (Inλ)/λ, worinλ das Dehnungsverhältnis bedeutet, und zwar für Dehnungen bis zu ungefähr 90%, in einigen Fällen sogar bis zu fast 200%. Somit ergab sich über einem ausgedehnten Verformungsbereich für die isochronen Kraft-Dehnungs-Werte (die vergleichbare Zustände der Spannungsrelaxation darstellen) eine direkte Proportionalität zwischen wahrer Spannung undHencky- Verformung, ε_H=Inλ; die Proportionalitätskonstante ist der ModulF (t^*), genommen bei konstanter Verformungsgeschwindigkeit und der (isochronen) Zeit t^*. Der ModulF (t, T, W)eine Funktion der Zeitt, der TemperaturT und der WasserabsorptionW — läßt sich darstellen durch (T/T ₀)F (t ^*,T ₀,W ₀ ) (t/t ^* a _T a _W)ⁿ, worinn eine für das Mehl charakteristische negative Konstante undF (t ^*,T ₀,W ₀) der Modul zur Zeitt ^* bei der BezugstemperaturT ₀ ist für einen Teig, der die Bezugs-WasserabsorptionW ₀ hat;a _T unda _W sind Verschiebungsfaktoren, die der Veränderung der Relaxationszeiten mit der Temperatur und dem Wassergehalt Rechnung tragen. Der Faktor ay gehorcht derArrhenius-Gleichung und ergibt Aktivierungsenergien von ungefähr 7,7 bzw. 22,8 kcal für die Teige der beiden Mehltypen. Bruchwerte, die bei verschiedenen Temperaturen und verschiedenen Dehnungsgeschwindigkeiten erhalten wurden, ließen sich durch Verwendung vona _T-Daten überlagern und durch eine Brucheinhüllende (failure envelope) darstellen. Der Verschiebungsfaktora _W scheint etwas von der Temperatur abzuhängen, und zwar besonders bei dem schwächeren Mehl.

Unterschiede im rheologischen Verhalten von Teigen aus den beiden Mehlsorten bestanden offensichtlich in Bezug auf: (1) den Bereich, über den das isochrone Kraft-Dehnungs-Verhalten linearisiert werden konnte, (2) die Größe des charakteristischen Exponentenn, (3) die Größe und die Temperaturabhängigkeit der Moduln, (4) die Aktivierungsenergien, (5) die Wirkung der Temperatur aufa _W und (6) einige graphische Darstellungen zur Charakterisierung der Bruchwerte.