Untersuchung der STIR Technologie

Anhand von Backversuchen mit Weizenbroten testen Wissenschaftler die Effektivität der spezifisch selektiven transformierten Infrarot Technologie (STIR).

In den Fachpublikationen zu modernen Öfen findet man recht häufig nicht ganz klare und überzeugende Angaben über die Vorteile des Backens mit STIR. Nach Meinung ihrer Autoren erlaubt diese Technologie, die Backdauer wesentlich zu verkürzen und die Qualität der Produkte bei gleichzeitiger Reduzierung der Backverluste und der Energiekosten zu verbessern. Belegt ist aus der Praxis [1], dass gegenwärtig mehr als eintausend Backöfen im Größenbereich von 1 bis 100 m² dank des STIR-Effektes arbeiten.
Um dies auch wissenschaftlich zu belegen, wurde von uns eine experimentelle Untersuchung des STIR-Effekts beim Backen runder Backwaren aus Weizenmehl durchgeführt. Die notwendige Unterstützung erhielten wir von den Firmen J 4 s.r.o. Předměřice nad Labem, Tschechische Republik, IBT InfraBioTech GmbH, Freiberg, und der Wachtel GmbH & Co., Hilden. Sie stellten die mit STIR-Keramik beschichteten Stahlbleche zur Verfügung. Diese Beschichtung erzeugt bei bestimmten Temperaturen das spezifische selektive transformierte Infrarot (STIR), das den Absorptionsspektren des Versuchs-Backgutes optimal entspricht. Die Versuche wurden in einem automatisierten Versuchsbackofen auf Basis PICCOLO/WACHTEL durchgeführt. Der Ablauf der war fest und reproduzierbar programmiert. Die Ergebnisse wurden automatisiert zahlenmäßig und graphisch erfasst und dargestellt [2].
Gemäß Bild 1 wurde im  Backraum eines PICCOLO-Ofens die eigentliche die eigentlichen Backkammern für die Versuche untergebracht. Und zwar als Vergleichsbasis eine ohne STIR-Keramik und danach eine mit STIR-Keramik.
In beiden Fällen wurde in das Innere der Backkammer ein Teigrohling  mit einer Ausgangsmasse von 440 Gramm gelegt. Diesen legten wir auf den Herd 5, der gleichzeitig Messplattform einer elektronischen Waage war. Außer dem zu backenden Rohling befanden sich im Inneren des Gehäuses die Sensoren. Sie kontrollierten die Wärme-Feuchtigkeits-Parameter der in dem Backmodul herzustellenden Dampf-Luft-Umgebung. Diesem Zweck diente der elektrische Dampferzeuger , der verbunden war mit dem perforierten Rohr , das in der Kammer angebracht war und die eine Öffnung für den Dampfdurchlauf zum Backraum hatte.

Bild 1: Schema des automatisierten Versuchsaufbaus

Die visuelle Beobachtung des zu backenden Rohlings und das Festhalten seiner Abmessungen wurden durch die Videokamera realisiert. Gleichzeitig mit den Abmessungen wurde auch, mithilfe von Mini-Thermoelementen, die Temperatur des Teiglings in verschiedenen Tiefen und an seiner Oberfläche gemessen. Als Betriebsparameter wurde unter Vorbehalt die Temperatur der oberen Erwärmungsoberfläche des strahlenden Gehäuses angesetzt. Diese wurde, wie auch die anderen Temperaturen, anhand der thermoelektrischen Methode gemessen.
Neben den Thermoelementen befestigten wir auf den Oberflächen des Rohlings Sensoren zur Messung der Wärmestromdichte. Mit deren Hilfe wurde die Intensität der Wärmezufuhr beim Backprozess bewertet, der aus drei Phasen bestand - einer kurzzeitigen Befeuchtung, einem Wachsen der Teigrohlinge und deren Ausbacken. Insgesamt betrug die Dauer des gewöhnlichen Backens 23 Minuten.

Tabelle: Kennziffern der Backversuche

Davon ausgehend wählten wir die Temperaturen des strahlenden Gehäuses und stabilisierten sie derart, dass die Qualität der fertigen Produkte, die wir nach dem gewöhnlichen Backen erhalten hatten, den festgelegten Anforderungen entsprach [3]. Das Ergebnis zeigen die Fotos in Bild 2-1 und die experimentellen Daten in der Spalte 1 der Tabelle. Bei der Erstellung dieser Spalte, aber auch anderer Spalten, drückte man den Wert der Formbeständigkeit der Produkte durch das Verhältnis ihrer Höhe zum Durchmesser aus, welche ihrerseits als Ergebnis einer Mittelwertbildung der ausgeführten Messungen für wiederholtes Backen gefunden wurden. Analog wurden alle Werte, die in der Tabelle aufgeführt wurden, darunter auch das spezifische Volumen der Produkte bestimmt. Dies wurde durch die Methode der Verdrängung des Füllstoffes [ 4 ] unter Berücksichtigung der Masse der erkalteten Produkte festgelegt. Nicht weniger interessant war die Dicke der oberen Kruste. Diese stellte man anhand der Tiefe der am stärksten verfärbten Stelle der Oberflächenschicht der Produkte fest. Im Durchschnitt lag diese Tiefe nach dem gewöhnlichen Backen bei ungefähr 2 mm. Dabei betrug der Backverlust nicht mehr als 8%. Was die Formbeständigkeit betrifft, so bestand diese bei 0,45 bei einem spezifischen Volumen der Produkte von 3,5cm3/g.

1 - tB  =23 min;    δB = 220ºC
2a - tB  =23 min;    δB = 220ºC
2b - tB =20 min;    δB = 220ºC
2c - tB  =15 min;    δB = 250ºC

Bild 2: Außenansicht und Schnitt des Brotes nach den unterschiedlichen Technologien
1 gewöhnliches Backen;  2a, b, c Backen mit STIR

Als Ergebnis erhielt man das, was den kalorischen Teil der angeführten Tabelle ausmacht. Zum Vergleich sind in ihr die Ergebnisse dargestellt, die nicht nur beim gewöhnlichen Backen, sondern auch beim Backen mit Anwendung der STIR-Technologie gewonnen wurden. Diese Art des Backens wurde unter  in drei Varianten a, b und c durchgeführt:
a- Backen mit STIR unter gleichen Parametern wie beim gewöhnlichem Backen;
b- Backen mit STIR; Backzeit von 23 auf 20 Minuten verringert, Ziel: gleiche Kruste wie 1;
c- Backen mit STIR mit Temperaturerhöhung des Gehäuses  von 220 auf 250°C.

Die Versuchsergebnisse zeigen, dass mit STIR die Backzeit tatsächlich reduziert werden kann. Dieser Umstand wird deutlich illustriert in Bild 3. Die dargestellten Temperaturkurven zeigen, dass die Zeit des gesamten Übergangs des Teigs in die Krume bei STIR-Einwirkung ohne Änderung des Wärmefeuchtigkeitsverfahrens um fast zwei Minuten verringert wird. Die Zeit des Beginns der Bildung einer oberen Kruste wird um eine Minute verringert.
Völlig unerwartet war, dass der Backverlust beim STIR-Backen bei der ersten Variante sich um nur 0,2% vergrößerte (9.Zeile der Tab.). Stattdessen wuchs die Dicke der oberen Kruste fast um das Doppelte (8.Zeile der Tab.). Außerdem war die Verfärbung der oberen Kruste bei normaler Temperatur am Ende des Backprozesses dunkler.
Unserer Meinung nach kann man diese Fakten durch die Vergrößerung des Koeffizienten der Wärmeleitfähigkeit der zu backenden Rohlinge erklären als Ergebnis der zusätzlichen Absorption von STIR durch die Wassermoleküle der peripheren Schichten der Rohlinge. Infolgedessen wächst die Intensität der Bewegung der Wassermoleküle, die deren häufigerer Kontakt verursacht, sowohl in den peripheren Schichten als auch in dem gesamten Volumen der Rohlinge.
Die Ergebnisse der Versuche 2 b und 2 c zeigen im Vergleich zu 1 eine deutliche Verringerung des Backverlustes.
Was die Verstärkung der oberen Kruste betrifft, so wird sie hervorgerufen durch die Verstärkung des Einflusses der Wärmefeuchtigkeitsleitfähigkeit auf die innere Entwässerung der Oberflächenschicht der Rohlinge. Eine andere Erklärung der Verstärkung der oberen Kruste durch die STIR-Einwirkung scheint nicht möglich zu sein, da zwischen der Wäremfeuchtigkeitsleitfähigkeit und der inneren Wärmestromdichte eine proportionale Wechselwirkung besteht [5]
In unseren Experimenten war dies unter den Bedingungen der Durchführung der zu vergleichenden Backverfahren nicht zulässig. Der kleine Unterschied zwischen den Geschwindigkeiten der Verdampfung bei deren Durchführung (14. Zeile der Tab.) erklärt sich durch eine Ungenauigkeit der experimentellen Daten. Für die äußere Wärmestromdichte erwies sich der entsprechende Unterschied als bedeutender (15. und 16. Zeile der Tab.), und nicht nur aufgrund einer Ungenauigkeit der Messungen, sondern auch als Folge dessen, dass die Strahlungsfähigkeit der Keramikschicht dieselbe Fähigkeit bei einer reinen Stahloberfläche stark übersteigt. In geringerem Maße zeigte sich dies bei dem Wärmeverbrauch, den man für die Erwärmung eines Rohlings benötigt (19. Zeile der Tab.). Das Gleiche kann man über den spezifischen Wärmeverbrauch für das Backen (20. Zeile der Tab.) sagen.
Daraus folgt, dass sich die STIR-Technologie durch einen doppelten Effekt der Erhöhung der Erwärmungsgeschwindigkeit der Backrohlinge unterscheidet: durch einen äußeren, der verbunden ist mit einer besseren Emission der Keramikschicht, und durch einen inneren - bedingt durch die Erhöhung des Koeffizienten der Wärmeleitfähigkeit des Teigs, der Krume und der Kruste. Unseren Angaben zufolge kann diese Verringerung ungefähr drei Minuten betragen, wenn die freigeschobenen Produkte aus Weizenmehl mittlere Teigmasse besitzen.
Die gegebene Bestätigung folgt aus der zweiten Variante der STIR-Backens (Bild 2 – 2b und 8. Zeile der Tab.). Das spezifische Volumen und die Form der zu gewinnenden Produkte wurden bei der Durchführung der zweiten Variante des STIR-Backens praktisch nicht verändert, im Vergleich zu der ersten Variante. Die Backverluste verringerten sich um 1,4%. Entsprechend wurde auch der spezifische Wärmeverbrauch bei Backen verringert. Die Backfähigkeit wurde dadurch nicht verschlechtert, ungeachtet der verringerten Erwärmung des Teiges bzw. Krume bis 95°C.
Daher kann man auf der Grundlage der durchgeführten Untersuchungen die folgenden Schlussfolgerungen ziehen. Bei einem einheitlichen Backverfahren erlaubt die STIR-Technologie im Vergleich zur gewöhnlichen IR-Wärmezufuhr, die Geschwindigkeit der Erwärmung der Backrohlinge zu erhöhen, ohne eine wesentliche Erhöhung der Geschwindigkeit der Feuchtigkeitsabgabe. Das bedeutet, dass bei der STIR-Einwirkung auf die zu backenden Rohlinge die notwendige Temperatur in deren Inneren schneller und entsprechend bei einer Verringerung der Backverluste erreicht wird.
Der Effekt durch die STIR-Einwirkung zeigt sich hauptsächlich in der Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Rohlinge, und er findet bei jeglicher Temperatur der zu erwärmenden Oberfläche statt.

Bild 3: Temperatur-Charakteristik der Backversuche; Versuch 1; Versuch 2a und 2b und Versuch 2c – oben Kruste und unten Krume

Zusammenfassung

Mit dem speziellen Infrarot STIR, und das wurde nachgewiesen,  erfolgt im Vergleich zum herkömmlichen Backen eine wesentliche bessere Energieübertragung auf das Backgut. Das ist der Grund für eine Reihe von technologischen, qualitativen  und wirtschaftlichen Vorteilen, die hier in einer wissenschaftlich begründeten Analyse aufgezeigt wurden und bei entsprechender technischen und technologischen Optimierung in der Praxis erreicht werden können.

Diese Vorteile sind insbesondere:

Verkürzung der Backzeit

Basis 23 min

auf 65 % und weniger

Senkung des Energieaufwandes

Basis 108 Wh/kg

auf 74 % und weniger

Reduzierung des Backverlustes

Basis 7,8 %

auf 84 % und weniger

Bessere Krustenbildung

Basis 2,0 mm

auf 125 % und mehr

Bessere Qualität in den Punkten bessere Feuchte, Frische, Volumen, Geschmack usw.