Estadísticas sobre azúcar, sazón y cualquier cosa posible: Utilizando el Diseño de experimentos para hornear mejores galletas

Ese lote de galletas que acaba de salir del horno no se parece en nada a las fotos del libro de cocina. ¡Una receta que decepciona! El hecho de que un lote de galletas regulares no cubra sus expectativas puede causarle molestia, pero si estas galletas son para una celebración navideña, la decepción puede alcanzar un nivel traumático. ¿Quién quiere comer una galleta que se parece más a una bola de nieve que a un muñeco de nieve?

Cuando el primer lote de galletas que Bill Howell horneó el año pasado para la familia y amigos generó... bueno... resultados mixtos, él aplicó el poder de Minitab para encontrar una solución.

Diseño de experimentos

Howell, un panadero entusiasta y un profesional de control de calidad en Scheider Electric, utilizó las herramientas de diseño de experimentos (DOE) de Minitab para averiguar por qué sus galletas perdían la forma. Un experimento diseñado consiste en una serie de corridas, o pruebas, en las cuales se ajustan múltiples variables – por ejemplo, las proporciones de los ingredientes utilizados para hacer un lote de masa para galletas.

Muchas personas piensan que, para estudiar múltiples factores en un experimento, es necesario variar un factor a la vez y mantener constantes todos los demás. Sin embargo, en un experimento diseñado puede cambiar más de un factor a la vez y utilizar el análisis estadístico para obtener resultados significativos acerca de todos sus factores de manera simultánea. Es una manera eficiente y económica de mejorar casi cualquier proceso.

“Mi objetivo en este experimento fue evaluar el espacio operativo de mi receta estándar de masa para galletas, cuantificar los componentes de la varianza de los factores bajo estudio y utilizar el proceso en la región que produjo el cambio mínimo en forma y dimensión de la galleta terminada,” explica Howell.

En otras palabras, Howell planeó diseñar un experimento en Minitab que le permitiera explorar muchos factores, determinar cuáles fueron más importantes y ajustar su proceso para obtener los resultados que deseaba; en este caso, hornear galletas que se parecieran a muñecos de nieve al salir del horno.

Un experimento factorial fraccionado

Minitab puede crear y analizar fácilmente muchos tipos de experimentos diseñados, e incluye un amplio sistema de Ayuda para identificar el experimento adecuado para su situación. Howell eligió realizar un experimento factorial fraccionado, una clase de diseño factorial que le permite identificar los factores más importantes de un proceso de manera rápida y económica. 

El experimento de Howell le exigió hacer 8 corridas (o lotes de galletas) para evaluar seis factores, cada uno de los cuales se puso a prueba en dos niveles:

  • Temperatura del horno: 160 ó 190 °C (325 ó 375 °F)
  • Número de huevos en un lote (1 ó 2)
  • Gramos de harina de AP en un lote: 255 ó 380 (9 ó 13.5 onzas)
  • Cantidad de bicarbonato de sodio (0.5 ó 1 cucharadita)
  • Cantidad de cremor tártaro (0.5 ó 1 cucharadita)
  • Enfriar la masa después de estirarla con un rodillo y cortarla (sí o no)

Howell tomó medidas para garantizar un proceso sólido. Utilizó tres moldes diferentes para preparar la masa para galletas, al seleccionar puntos de medición en cada molde y medirlos con un calibrador de 15 cm (6 pulgadas) con una precisión de 25 micras (.001) pulgadas. Cada uno de los ocho lotes del experimento incluyó estrellas, muñecos de nieve y hombres de jengibre. Para obtener una masa de espesor consistente, Howell utilizó láminas de madera para evitar que el rodillo aplanara la masa a un espesor inferior a 6mm (¼ de pulgada). Para minimizar los márgenes de error durante el proceso de horneado, colocó las galletas al azar sobre la bandeja de hornear. También giró la bandeja 180° en la mitad del proceso de horneado.

Debido a que se utilizaron dos temperaturas de horno durante el experimento, los tiempos de horneado variaron según la prueba. Los verdaderos tiempos de cocción para cada prueba se registraron en la hoja de instrucciones de prueba.

Cada prueba consistió en hornear dos bandejas para galletas. Cuando salieron del horno, Howell midió dos muestras de cada forma de las dos bandejas para determinar si hubo un cambio en la altura, el ancho o el espesor. Estas dimensiones se registraron en formularios impresos previamente, que identificaron el número de prueba, los datos de la prueba, el molde, el ancho y el alto. Howell calculó los promedios y las desviaciones estándar para cada molde y utilizó Minitab para analizar los datos.

Resultados del análisis de DOE

Un análisis de las mediciones de altura y ancho realizado en Minitab reveló que la harina era el factor más influyente en la expansión de la galleta. “En cada caso, una mayor cantidad de harina producía menos expansión con respecto a la dimensión original”, afirma Howell. “El efecto principal sobre el grosor de la galleta lo causaban la harina y la cantidad de huevos en la mezcla. Dos huevos producían mayor elevación que uno”.

DOE sobre galleta - grosor de hombre de nieve

Howell también utilizó Minitab para crear graficas de efectos principales, que examinan las diferencias entre las medias de los niveles para uno o más factores. Existe un efecto principal cuando niveles diferentes de un factor afectan la respuesta de manera diferente. Una gráfica de efectos principales muestra la media de respuesta para cada nivel del factor conectada por una línea. Si la línea es horizontal, no está presente ningún efecto, es decir, cada nivel del factor afecta la respuesta de la misma manera. Si la línea no es horizontal, entonces existe un efecto principal, y los diferentes niveles del factor afectan la respuesta de forma diferente. Mientras más inclinada sea la pendiente de la línea, mayor será la magnitud del efecto.

DOE sobre galleta grosor de hombre de nieve

Las gráficas de efectos principales de Howell reforzaron los hallazgos del análisis, y también revelaron que el tipo de cortador tenía un efecto. “La medición del ancho en el caso del cortador con forma de estrella se movía un promedio de 9 mm (.35 pulgadas), pero el Hombre de nieve se desplazaba un promedio de 2 cm (.95 pulgadas) y el Hombre de pan de jengibre se movía un promedio de 1.5 cm (.55 pulgadas)”, señala Howell. “Esto indica que la forma del cortador afecta la fluidez de la masa de galleta mientras se hornea”.

Originalmente Howell planeaba replicar el experimento dos veces, para confirmar sus resultados y dar mayor potencia estadística a su análisis. “Pero estaba inundado de galletas y tuve que limitarme a un ensayo de confirmación”, señala. “En el ensayo de confirmación rebasé los límites y aumenté la cantidad de harina en 60 gramos (2 onzas) adicionales. Estas galletas mantuvieron su forma extremadamente bien, pero ese nivel de harina las dejó demasiado secas”.

Howell está seguro de que el experimento que diseñó y analizó utilizando Minitab tendrá como resultado mejores galletas en las próximas temporadas de fiestas.  “Los lotes de galletas de figuras de esta temporada de fiestas seguirán los métodos y los niveles que funcionaron mejor en el experimento, quizás sólo con 15 gramos (½ oz) adicionales de harina, porque éstas mantuvieron su forma excelentemente, y a las personas que probaron galletas de este ensayo les gusto su sabor”.

Pero eso no es todo; con este experimento Howell también obtuvo nuevo material de capacitación y cierta tranquilidad. “Fue un proyecto divertido, y lo utilizo como introducción al Diseño de experimentos cuando dicto cursos a Green Belts”, comenta. “Mejor aun, me ayudó a resolver un fastidioso problema de cocina que me había estado molestando durante años”.

La receta del éxito

Si decide hornear galletas este año y desea probar la receta optimizada de Bill Howell, aquí la tiene.

Ingredientes:

390 gramos (13 oz) de harina para todo uso (medida)
½ cucharadita de bicarbonato de sodio
½ cucharadita de cremor tártaro

2 barras de mantequilla in sal, flexible o a temperatura ambiente
180 gramos (6.4 oz) de azúcar en polvo (medida)

1 huevo grande
1 cucharadita de extracto de vainilla
1 cucharadita de extracto de almendra

1 oz de azúcar de color

Instrucciones:

  1. Coloque la temperatura del horno a 190°C (375ºF).
  2. En un bol separado, mezcle la harina para todo uso, el bicarbonato de sodio y el cremor tártaro.
  3. En una batidora eléctrica, mezcle la mantequilla sin sal y el azúcar en polvo durante 3 minutos medidos.
  4. Agregue el huevo, el extracto de vainilla y el extracto de almendra, mezcle durante 30 segundos.
  5. Agregue lentamente los materiales del Paso 2, mezcle hasta obtener una apariencia uniforme.
  6. Envuelva la masa en papel encerado y colóquela en el refrigerador por un mínimo de 2 horas, o toda la noche.
  7. Retire la masa del refrigerador y utilice el horno de microondas para volverla flexible (normalmente de 15 a 20 segundos) o manténgala afuera hasta que alcance la temperatura ambiente.
  8. Extienda la masa con un grosor de 5 mm (3/16″). Utilice los palillos de guía para controlar el grosor.
  9. Recorte las formas; rocíe con azúcar de color.
  10. Hornee durante 4 minutos sobre la parrilla en el centro del horno, en una bandeja de hornear forrada con papel pergamino.
  11. Gire la bandeja de hornear 180 grados.
  12. Hornee otros 3 minutos o hasta que esté listo.
  13. Retire del horno, deje enfriar durante 5 minutos y luego coloque las galletas sobre parrillas para enfriar.

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