Açúcar, Especiarias e tudo de Estatística Uso do Planejamento de Experimentos para fazer um Biscoito melhor

Esse lote de biscoitos que acabou de sair do forno não parece nem um pouco com as imagens no livro de receitas. Isso que é uma receita para decepção! Já é bem irritante quando uma fornada comum não consegue atender às suas expectativas, mas quando você está fazendo biscoitos para fim do ano a decepção pode alcançar uma intensidade traumática. Quem quer comer um biscoito recortado que parece mais com uma bola de neve derretida do que um boneco de neve?

Quando a primeira fornada de biscoitos que Bill Howell fez no ano passado para a família e amigos teve resultados... digamos... variados, Bill aplicou o poder do Minitab para encontrar uma solução.

Planejamento de Experimentos

Howell, um padeiro ávido e um profissional de qualidade na Scheider Electric, utilizou ferramentas do Minitab para planejamento de experimentos (DOE) para descobrir por que seus biscoitos não conseguiam manter o formato. Um experimento planejado consiste em uma série de marchas, ou testes, nos quais você ajusta variáveis múltiplas​- por exemplo, as proporções dos ingredientes usados​ para fazer um lote de massa de biscoito.

Muitas pessoas acham que para estudar fatores múltiplos em um experimento, é preciso variar um fator de cada vez, mantendo todos os outros constantes. No entanto, em um experimento planejado, você pode alterar mais de um fator de cada vez e, em seguida, usar a análise estatística para obter resultados significativos sobre todos os seus fatores simultaneamente. Trata-se de uma forma eficiente e econômica de aprimorar praticamente qualquer processo.

"Meu objetivo neste experimento foi avaliar o espaço operacional da minha receita padrão para massa de biscoitos recortados e técnicas culinárias, quantificar os componentes de variância dos fatores estudados e, em seguida, operar o processo na região que produziu mudanças mínimas no formato e dimensões do biscoito assado", explica Howell.

Em outras palavras, Howell planejou criar um experimento no Minitab que permitiria selecionar muitos fatores, determinar quais eram os mais importantes e, em seguida, ajustar o processo para obter os resultados desejados - neste caso, fazer os biscoitos que, depois de sair do forno, ainda parecem bonecos de neve.

Um Experimento Fatorial Fracionado

O Minitab pode facilmente criar e analisar diversos tipos de experimentos planejados e inclui um extenso sistema de Ajuda para auxiliar a identificar o experimento certo para sua situação. Howell decidiu executar um experimento fatorial fracionado, uma classe de experimentos fatoriais que permite identificar os fatores mais importantes em um processo, de forma rápida e econômica. 

Para o experimento de Howell, foram necessárias oito marchas (ou fornadas de biscoitos) para avaliar seis fatores, cada um dos quais foi testado em dois níveis:

  • Temperatura do forno (160 ou 190°C)(325 ou 375 F)
  • Número de ovos em um lote (1 ou 2)
  • Onças de farinha de trigo em um lote (9 ou 13,5)
  • Quantidade de bicarbonato de sódio (0,5 ou 1 colher de chá)
  • Quantidade de creme de tártaro (0,5 ou 1 colher de chá)
  • Refrigerar a massa depois de abrí-la e recortar os biscoitos (sim ou não)

Howell fez medições exaustivas para garantir um processo sólido. Ele usou três moldes cortadores de formatos diferentes para preparar a massa de biscoito para o forno, selecionando pontos de medição em cada cortador, e medindo-os com um calibre de 6 polegadas com precisão de 0,001 polegadas. Cada um dos oito lotes experimentais incluíam estrelas, bonecos de neve e bonecos de gengibre. Para garantir a espessura da massa consistente, Howell usou guias de madeira para impedir que seu rolo de massa achatasse mais que ¼ de polegada. Para minimizar a influência indevida ou tendenciosidade não intencional durante o preparo no forno, ele colocou os biscoitos na assadeira aleatoriamente. Ele também rodava as assadeiras 180° no meio do preparo no forno.

Como no experimento foram utilizadas duas temperaturas de forno, os tempos de cozimento variaram dependendo do ensaio. Os tempos de cozimento reais para cada ensaio foram registrados na folha de instruções.

Cada ensaio consistiu em assar duas bandejas de biscoitos. Quando saíram do forno, Howell mediu duas amostras de cada formato de ambas as bandejas para ver se havia uma mudança na altura total, a medida da largura selecionada, ou espessura. Essas dimensões foram registradas em formulários pré-impressos, que identificavam o número e dados de ensaio, o formato, largura e altura do cortador. Howell calculou médias e desvios-padrão para cada formato de cortador e utilizou o Minitab para analisar os dados.

Análise de Resultados do DOE

Uma análise medidas de altura e largura feita no Minitab revelou que a farinha era o fator determinante no espalhamento de biscoitos. "Em cada instância, uma maior quantidade de farinha produzia menos espalhamento comparado com as dimensões originais," diz Howell. "O impacto na espessura do biscoito foi principalmente influenciado pela farinha e pelo número de ovos na massa. Com dois ovos a massa crescia mais do que com um ovo."

DOE de biscoito - espessura do boneco de neve

Howell também usou o Minitab para criar gráficos de principais efeitos, que examinam as diferenças entre médias de nível para um ou mais fatores. Um efeito principal ocorre quando diferentes níveis de um fator afetam a resposta de maneira diferente. Um gráfico de efeitos principais mostra as médias da resposta para cada nível do fator conectadas por uma linha. Se a linha for horizontal, nenhum efeito principal está presente - cada nível do fator afeta a resposta da mesma maneira. Se a linha não for horizontal, então há um efeito principal e os diferentes níveis do fator afetam a resposta de forma diferente. Quanto maior a inclinação da linha, tanto maior a magnitude do efeito.

DOE de biscoito espessura do boneco de neve

Os gráficos de efeitos principais que Howell fez reforçou os resultados da análise e também revelou que o tipo de cortador teve um efeito. "A medida da largura para o cortador em formato de estrela moveu-se em média 0,35 polegadas, mas o boneco de neve moveu-se em média 0,95 polegadas e o boneco de gengibre em média 0,55 polegadas", diz ele. “Isso indica que o formato do cortador afeta o espalhamento da massa no forno.”

Howell originalmente planejou replicar o experimento duas vezes, para confirmar seus resultados e dar maior poder estatístico a sua análise. "Mas eu estava inundado de biscoitos e tive que me limitar a um ensaio de confirmação", observa ele. "No ensaio de confirmação, decidi ultrapassar os limites e aumentar a quantidade de farinha em 2 onças. Esses biscoitos mantiveram o formato muito bem, mas com esse nível de farinha ficaram muito secos."

Howell está confiante que o experimento que planejou e analisou utilizando o Minitab terá como resultado melhores biscoitos nas próximas festas de fim de ano.  "Lotes de biscoito recortado nessa festa de fim do ano vão seguir os métodos e os níveis que funcionaram melhor no experimento - talvez com uma ½ onça de farinha a mais - já que esses mantiveram seu formato muito bem e as pessoas que experimentaram amostras desse ensaio aprovaram o gosto."

Mas a história não termina aqui - execução desse experimento também proporcionou a Howell novo material de treinamento e um pouco de paz de espírito. "Este foi um projeto divertido e eu o uso como uma introdução ao Planejamento de Experimentos no curso de certificação Green Belt", diz ele. "Melhor ainda, ele resolveu um problema culinário chato que me irritava há anos."

A Receita para Sucesso

Se você decidir fazer biscoitos este ano e gostaria de experimentar a receita otimizada de Bill Howell , aqui ela está.

Ingredientes:

13 oz de farinha de trigo (medir)
½ colher de chá rasa de bicarbonato de sódio
½ colher de chá rasa de creme de tártaro

2 bastões de manteiga sem sal, mole ou à temperatura ambiente
6,4 oz de açúcar de confeiteiro (medir)

1 ovo grande
1 colher de chá de extrato de baunilha
1 colher de chá de extrato de amêndoas

1 oz de açúcar colorido

Modo de preparo:

  1. Pré-aquecer o forno a 375ºF.
  2. Em uma tigela, misture a farinha, o bicarbonato de sódio e o creme de tártaro.
  3. Com uma batedeira, bata a manteiga sem sal e açúcar confeiteiro durante 3 minutos, medindo o tempo.
  4. Adicione o ovo, extrato de baunilha e extrato de amêndoas e misture por 30 segundos.
  5. Lentamente, adicione os materiais da Etapa 2 e misture até incorporar.
  6. Embrulhe em papel manteiga e coloque na geladeira, por no mínimo duas horas ou durante a noite.
  7. Retire a massa da geladeira e use o microondas para amolecê-la (normalmente 15-20 segundos) ou deixe a massa atingir a temperatura ambiente.
  8. Abra a massa até atingir 3/16 "de espessura. Use as guias para controlar a espessura.
  9. Corte nos formatos desejados; polvilhe com açúcar colorido.
  10. Asse por 4 minutos na prateleira no centro do forno, na assadeira forrada com papel manteiga.
  11. Gire a assadeira 180 graus.
  12. Asse por mais 3 minutos ou até estiver pronto.
  13. Retire do forno, deixe esfriar por 5 minutos e coloque nas prateleiras para esfriar.

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