автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Исследование и разработка процессов производства быстрорастворимого гранулированного напитка на основе ячменной муки

На правах рукописи

ЕРМОЛАЕВ ЯРОСЛАВ ЮРЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА БЫСТРОРАСТВОРИМОГО ГРАНУЛИРОВАННОГО НАПИТКА НА ОСНОВЕ ЯЧМЕННОЙ МУКИ

Специальность: 05.18.12 — Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4 АПР 7.013

Кемерово 2013

005051392

005051392

Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт зерна и продуктов его переработки» Россельхозакадемии, Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» Министерства образования и науки РФ

доктор технических наук, профессор Попов Анатолий Михайлович

Иванец Галина Евгеньевна

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», профессор кафедры «Прикладная математика и информатика»

Хромеенков Владимир Михайлович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств», профессор кафедры «Технологическое оборудование пищевых предприятий»

Государственное научное учреждение Научно-исследовательский институт пищеконцентратной промышленности и специальной пищевой технологии Россельхозакадемии, Московская область, п. Измайлово

Защита состоится «26» апреля 2013 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 212.089.02 при ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» по адресу: 650056, г. Кемерово, Бульвар Строителей, 47. тел./факс 8(3842)39-68-88.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности». С авторефератом можно ознакомиться на официальном сайте ВАК Минобрнауки РФ (http://vak.ed.gov.ru/ru/dissertation4) и ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (www.kemtipp.ru)

Автореферат разослан «ЯД» марта 2013 г.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ученый секретарь диссертационного совета

Голуб О.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В соответствии с государственной политикой РФ в области здорового питания разработаны «Основы государственной политики РФ в области здорового питания населения на период до 2020 г.» (распоряжение Правительства РФ № 1873-р от 25.10.10 г.). Они планируют наращивание производства пищевых продуктов, в том числе функционального питания. В связи с этим большое внимание уделяется разработке новых видов продуктов питания с использованием растительного сырья, богатого витаминами и микроэлементами. Напитки, приготовленные из сырья растительного происхождения, обладают тонизирующими и стимулирующими свойствами.

Продукты переработки зерна ячменя составляют неотъемлемую часть рациона питания человека и в значительной мере удовлетворяют потребности организма в питательных веществах. Ячмень имеет достаточно сбалансированный химический состав, отличается высоким содержанием растительного крахмала, белка, благоприятным минеральным составом (по содержанию калия, кальция, кобальта, кремния превышает пшеницу) и витаминами группы В, отличается также достаточно высоким содержанием водорастворимых веществ, пищевых волокон и слизей, улучшающих пищеварение.

Основные тенденции развития современного уровня технологии изготовления сухих продуктов показывают, что во многих странах разрабатывают и внедряют способы получения продуктов в гранулах, вместо изготовления сухих продуктов в виде порошков.

Рост потребления безалкогольных напитков благоприятно влияет на оздоровление общества, так как они расширяют в целом ассортимент напитков и могут снизить процент потребляемого организмом алкоголя.

В экономически развитых странах растет производство безалкогольных напитков, в том числе из концентратов в виде растворимых гранул. Эти напитки широко распространены в США, Японии, странах Европейского союза, их общая доля от производства напитков составляет 17%. Такие напитки обладают рядом достоинств, такими как: удобство в употреблении, не требуется большая тара при перевозке, длительный срок хранения.

Цель работы: научное обоснование и создание системы процессов технологии гранулированного напитка на основе ячменной муки, оптимизация процесса смешивания компонентов быстрорастворимого гранулированного напитка, как определяющего целостность технологического потока. Для реализации поставленной цели решались следующие задачи: -провести диагностику ведущих процессов быстрорастворимых гранулированных напитков на основе картофельного крахмала;

-оптимизировать процесс смешивания компонентов быстрорастворимого гранулированного напитка;

-провести микроисследование строения зерен картофельного и ячменного крахмала;

-сравнительная оценка реологических свойств картофельного и ячменного крахмала и ячменной муки;

-составить операторную модель технологии быстрорастворимого гранулированного напитка на основе ячменной муки и оценить уровень ее организации;

-разработать систему процессов производства быстрорастворимого гранулированного напитка на основе ячменной муки. Научная новизна:

-установлены закономерности строения технологии производства быстрорастворимого гранулированного напитка как системы процессов;

-выявлены основные закономерности процесса смешивания компонентов готового продукта;

-изучено строение зерен картофельного и ячменного крахмала с точки зрения производства быстрорастворимого гранулированного напитка;

-установлены реологические свойства ячменного крахмала и муки для производства быстрорастворимых гранулированных напитков;

-установлена закономерность развития технологии производства быстрорастворимого гранулированного напитка как системы процессов. Практическая значимость:

-разработана система процессов производства быстрорастворимого гранулированного напитка на основе ячменной муке;

-предложена усовершенствованная конструкция центробежно-лопастного смесителя;

-составлена рецептура быстрорастворимого гранулированного напитка на основе ячменной муки;

-скомпонована поточная линия производства быстрорастворимого гранулированного напитка на основе ячменной муки;

-подана заявка на способ получения быстрорастворимого пищевого напитка, входящий № 065984, регистрационный № 2012140915;

-разработана технологическая инструкция и технические условия по производству быстрорастворимого гранулированного напитка на основе ячменной муки.

Научные положения, выносимые на защиту:

-диагностика и оценка качества системы процессов для производства быстрорастворимых гранулированных напитков;

-анализ технологии производства быстрорастворимых гранулированных напитков как системы процессов;

-технологические свойства ячменного крахмала, обеспечивающие эффективность ведущих процессов;

-система процессов и система машин для получения быстрорастворимых гранулированных напитков. Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы представлены, обсуждены и доложены на IV конференции молодых ученых и специалистов институтов Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции

4

Россельхозакадемии «Научно-инновационные технологии как основа продовольственной безопасности РФ» (Москва, 2010г.); на V конференции молодых ученых и специалистов институтов Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции Россельхозакадемии «Современные методы направленного изменения физико-химических и технологических свойств сельскохозяйственного сырья для производства продуктов здорового питания» (Москва, 2011г.); на Ежегодной Всероссийской научно-практической конференции Россельхозакадемии «Научно-инновационные аспекты при создании продуктов здорового питания» (Углич, 2012г.); работа заслушана на Ученом Совете Государственного научного учреждения Всероссийского научно-исследовательского института зерна и продуктов его переработки, (Москва, 2013г.).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность и сформулирована цель работы, приведена ее общая характеристика. Программа исследования показана на рисунке 1.

Рисунок 1 - Программа исследования 5

В первой главе рассмотрены свойства и характеристика используемого сырья, методы системного исследования технологического потока. Проанализированы достижения в области производства быстрорастворимых напитков. Проведен анализ состояния процесса смешивания сыпучих сред. В результате проведенного анализа сформулированы задачи исследований.

Во второй главе рассмотрены технологические свойства ячменного крахмала. Проведено микроиссдедование зерен ячменного и модифицированного картофельного крахмалов с целью изучения строения, размеров, наличия примесей и технологической возможности использования ячменного крахмала в машинном производстве быстрорастворимых напитков.

В отличие от модифицированного картофельного крахмала особенностью ячменного крахмала является многогранная неправильная форма зерна в соответствии с рисунком 2 и рисунком 3 . Прежде всего это связано с условиями образования и развития зерен: они формируются в белковой матрице и сдавливаются во время созревания зерна.

Неправильная форма зерен имеет большее гидравлическое сопротивление, что ведет к более медленному их осаждению, чем зерен округлой формы как у картофельного крахмала. Это может положительно влиять на структурообразование напитка на основе ячменного крахмала.

1 аи * . > *

♦ «V Л % .

Рисунок 2 - Внешний вид крахмальных зерен картофеля

Рисунок 3 - Внешний вид крахмальных зерен ячменя

Таблица 1 - Характеристики ячменного и модифицированного

Модифицированный картофельный крахмал Ячменный крахмал

Форма зерен овальные, вытянутые вытянутые, неправильной формы

Размер зерен, мкм 0,5 -12 0,5-16

Наиболее полную характеристику структурно-механических свойств продукта позволяют получить реологические кривые течения, описывающие поведение системы как при малых напряжениях сдвига, так и при больших значениях, приводящих к полному ее разрушению. Такой подход позволяет выявлять закономерности структурообразования напитка на основе ячменного

6

крахмала, дает возможность составлять рецептуры необходимые для производства качественного быстрорастворимого напитка.

1 1,8 3 5,4 9 16,2 27 48,6 81 154,7 243 437,4

Скорость сдвига, у, с"1

•"■¡-3,5% суспензия модифицированного картофельного крахмала -Л—5,5% суспензия ячменного крахмала --3,5% суспензия ячменного крахмала

Рисунок 4 - Зависимости напряжений сдвига от скорости сдвига 3,5% суспензии крахмалов ячменного, модифицированного картофельного и 5,5% ячменного крахмала На рисунке 4 представлены графики зависимости напряжений сдвига от скорости сдвига 3,5% суспензий крахмалов ячменного, модифицированного картофельного и 5,5% ячменного крахмала через 1500 с после приготовления суспензии при температуре 95-100 С0. Изменение напряжения сдвига у суспензии 3,5% ячменного крахмала по скорости сдвига происходит от 13,49 до 407,82 Па, а у 3,5% суспензии модифицированного картофельного же крахмала напряжение сдвига изменяется от 26,48 до 485,18 Па. Также органолептические показатели у суспензии 3,5% ячменного крахмала хуже: не устойчивая структура суспензии. Поэтому было решено увеличить концентрацию ячменного крахмала до 5,5% для достижения вязкости и органолептических параметров, сопоставимых с параметрами суспензии картофельного крахмала.

На графиках представленных на рисунке 4 напряжение сдвига 5,5% суспензия ячменного крахмала через 1500 с после приготовления суспензии изменяется от 26,64 до 449,86 Па, что близко по значениям напряжения сдвига 3,5% суспензии модифицированного картофельного крахмала. Так же необходимо отметить, что 5,5% суспензия ячменного крахмала имеет более однородную структуру чем 3,5% суспензия ячменного крахмала. Это говорит о том, что в рецептуре быстрорастворимого гранулированного напитка будет требоваться большее количество ячменного крахмала.

Одним из эффективных методов изменения свойств растительного сырья с целью приготовления его на основе разнообразных продуктов высокого качества является экструзионная обработка.

Было принято решение провести экструзионную обработку ячменного крахмала, с целью улучшения реологических, органолептических свойств суспензии ячменного крахмала. Результатом проведенной экструзионной

7

обработки стало увеличение набухаемости крахмала, незначительное снижение вязкости, что способствует образованию структурированного, однородной суспензии с экструдированным крахмалом.

500

С 450 н 400

£ 350

I 300

I 250

| 200 ш

1 150

§■ 100

X 50

о

1 1,8 3 5,4 9 16,2 27 48,6 81 154,7 243 437,4

Скорость сдвига, у, с"1

-а-3,5% суспензия модифицированного картофельного крахмала

суспензия ячменного крахмала """""5,5% суспензия экструдированного ячменного крахмала Рисунок 5 - Зависимости напряжений сдвига от скорости сдвига 5,5% суспензии крахмалов ячменных и 3,5% суспензии модифицированного картофельного крахмала После проведения экструзионной обработки ячменного крахмала были проведены реологические исследования, полученные графики представлены на рисунке 5. Полученный экструдированный ячменный крахмал имеет схожие показания напряжения сдвига с картофельным крахмалом, образует однородную суспензию без образования осадка. Значения напряжения сдвига суспензии 5,5% экструдированного ячменного крахмала изменяется от 15,44 до 431,28 Па, однако при этом суспензия структурируется, однородная и не выпадает в осадок. Таким образом, более целесообразно использовать в производстве быстрорастворимых гранулированных напитков прошедший экструзионную обработку ячменный крахмал, так как он образует более однородную структуру в суспензии, что благоприятно влияет на органолептические показатели готового к употреблению напитка.

В третьей главе проведена диагностика существующей технологической системы производства быстрорастворимого гранулированного напитка на основе модифицированного картофельного крахмала.

На основании анализа машинно-аппаратурной схемы построена структурная схема технологической системы производства быстрорастворимого гранулированного напитка на основе модифицированного картофельного крахмала представленная на рисунке 6. Для каждой подсистемы выбраны контролируемые параметры и внесены в таблицу 2.

преиикс

материал---,, ------------------------------------

" гранулы 3<

Рисунок 6 - Структурная схема технологической системы производства быстрорастворимого гранулированного напитка

Структурная схема показывает взаимосвязь подсистем. На ней видно, что поступает в подсистемы, какой полуфабрикат или сырье, и то, что выходит из подсистем.

Таблица 2 - Контролируемые параметры подсистем производства

Подсистема Выход подсистемы Наименование контролируемого параметра (показателя качества) Нормативное значение, % Поле допуска

А готовая продукция массовая доля влаги 5 ±2

В влажный гранулят количество гранул в диапазоне от 0,5 до Змм 98 ±2

с, жмых после хранения содержание влаги 12 ±1

с2 концентрированный сок сухие вещества 56 ±2

Сз сахарная пудра количество пудры в диапазоне до ЮОмкм 95 ±4

С4' жом влажность жома 56 ±2

с4" сок выход сока 60 ±2

Стабильность каждой подсистемы определялась за 8 часов (смену). Уровень целостности технологической системы, состоящей из семи выходов подсистем Л, В, С¡, С2, С3, С/, С/, определяется формулой (1): ^с{'с{с3с2с1вл =

Чс? + Чс[ + Псг + ЧС1/с1 + 1с2/с1' + Пв/с^сзс'с'1 + Ча/вс&ьсМ ~ 6- С1)

где т]си, ?7С/, т]Сз- стабильность функционирования подсистем С< и С3,

соответственно ~ Условная стабильность подсистемы С/ относительно

подсистемы С* Цсг1с\1 ~ Условная стабильность подсистемы С2 относительно

подсистемы С4, 'Пв/с1сгс3с[с1' ~ Условная стабильность подсистемы В относительно подсистемы С1С2С3С(С", ^А/вС1с2с3с(с{' ~ условная стабильность подсистемы Л относительно подсистемы ВС1С2С2С{С{'.

Уровень целостности за смену: вс1,с1с3с2с1ВА = °'81 + °'53 + °'63 + °'63 + 1 + 1 + 1- 6= -0,40; (2)

Из уравнения (2) видно, что стабильность отдельных подсистем определяет стабильность функционирования системы в целом.

При проведении измерений было установлено, что стабильность подсистемы С4 равна единице, поскольку показатели качества всех взятых проб сока и жома находились в нормативном диапазоне. В подсистемах С}, С2, С] происходят отклонения по крупности сахарной пудры, содержанию сухих веществ в концентрированном соке, содержание влаги в жоме, соответственно.

боЗа

сахарная пцдра

картофельный

крахмал

жам

Вода

/

В

1—г

II /

и

3

концентри-

Установленная невысокая стабильность функционирования линии как системы во времени снижается из-за нестабильности функционирования подсистемы В, что обусловлено нестабильностью процессов смешивания компонентов и гранулирования смеси и, как следствие, невысоким качеством

получаемых гранул. При сушке и упаковке в подсистеме А, отклонений от нормативов не наблюдается.

ройпнный сак

Рисунок 7 - Подсистема образования гранул

I- гранулирования рецептурной смеси; II- образования рецептурной смеси

Проведенное исследование выявило подсистему вносящую нестабильность в функционирование технологической системы. Этой подсистемой является подсистема В, образования гранул показанная на рисунке 7.

Значения ее стабильности составили 0,53 за одну смену. Уровень целостности технологической системы находится в области плохо организованных суммативных систем.

Таким образом, перспектива развития технологии производства быстрорастворимого гранулированного напитков на основе модифицированного картофельного крахмалов, в том числе и на основе ячменного крахмала, связана с повышением качества процессов в подсистеме В, и прежде всего, процесса смешивания исходных компонентов напитка.

В четвертой главе проведено исследование и оптимизация ведущего процесса технологии смешивания исходных компонентов. Рассмотрены теоретические основы процесса центробежно-лопастного смешивания исходных компонентов напитка.

нижняя лопасть Рисунок 8 - Экспериментальный смеситель Исследование смешивания сухих исходных компонентов для производства быстрорастворимого гранулированного напитка проводились на экспериментальном смесителе, представленном на рисунке 8. Экспериментальный смеситель состоит из несущей рамы, электродвигателя, рабочего органа с двумя лопастями, металлической чаши, крышки для чаши и блока управления электродвигателем смесителя. Рама смесителя предназначена для крепления электродвигателя. С помощью блока управления электродвигателем смесителя, возможно изменять вручную скорость вращения рабочего органа от 400 до 1200 об/мин. Чаша, в которой происходит смешивание исходных компонентов напитка, имеет внутренний диаметр 145 мм, высота борта 210 мм. Вал смесителя крепится к электродвигателю, на нем располагаются две лопасти расположенные крест-накрест, нижняя лопасть крепится у основания вала, а верхняя лопасть на расстоянии 100 мм от нижней, диаметр размаха лопастей 140 мм. Угол наклона нижних лопастей вала смесителя возможно изменять от 0 0 до 45°. Все размеры чаши, вала и лопастей экспериментального смесителя пропорционально в три раза меньше по сравнению с промышленным смесителем.

В качестве модельных материалов для оценки качества процесса смешивания использовались:

Материал А. — гранулированный окрашенный в красный цвет ячменный крахмал, размер гранул до 0,5мм; Материал В. - ячменный крахмал.

Определение содержания доли окрашенных частиц в отобранной навеске осуществлялось на сканере, для этого проба из образца, либо сам образец сканируются с помощью компьютерного сканера, обладающего достаточным оптическим разрешением для различения структуры образца. Далее фотография образца обрабатывается на компьютере по специальной программе для распознавания образов. Концентрация компонентов смеси в исследуемой пробе находится путем подсчета пикселей каждого цвета, что можно легко выполнить

11

с помощью программы. После определения концентрации ключевого компонента вычисляется коэффициент неоднородности смеси.

Выполнено исследование влияния конструктивных факторов на показатель качества смешивания исходных компонентов. Выполнен полный факторный эксперимент типа 23. В качестве факторов выбраны частота вращения вала смесителя (л^), время смешивания (х2) и угол наклона нижней лопасти (*3).

Результат обработки полного факторного эксперимента представлен в форме регрессионного уравнения(З).

у=\\, 45-0, 9Ах,Л,Ъ2х2-5,5\хг0,Пх,хз, (3)

где у- коэффициент неоднородности смеси исходных компонентов; Х\- частота

_ф__вращения вала смесителя, об/мин; х2- время

смешивания, с; х3- угол наклона нижней лопасти, град. Анализ уравнения показывает ? что на коэффициент неоднородности смеси

1 исходных компонентов наибольшее влияние

ЙИ® оказывает угол наклона нижних лопастей вала смесителя. Меньшее влияние на \ неоднородность смеси оказывает

взаимодействие таких факторов, как частота вращения вала и угол наклона нижней лопасти смесителя. Наилучшие показатель качества смешивания исходных компонентов наблюдается при Рисунок 9 - Конструкция смесителя с форсункой

увеличении угла наклона нижней лопасти. Наихудший показатель качества смешивания наблюдается при небольшом угле наклона нижней лопасти, короткого периода смешивания и максимальной частоте вращения вала смесителя. По результатам этих экспериментов была проведена оптимизация конструктивных параметров процесса смешивания исходных компонентов. В качестве критерия оптимизации выбран коэффициент неоднородности смеси. Оптимизацию конструктивных факторов выполнили на экспериментальной установке, на которой возможно менять количество оборотов вала

Рисунок 10 - Схема движения частиц смеси

смесителя, время смешивания и угол наклона нижних лопастей. Для каждого фактора установили интервал варьирования и нулевой уровень. Остальные конструктивные параметры были стабилизированы. Проведенная оптимизация процесса смешивания исходных компонентов быстрорастворимого гранулированного напитка позволила улучшить качество смешивания.

Также предложен способ внесения жидкой составляющей напитка (менее 7%) в смеситель. При этом исчезает необходимость внесения жидкой составляющей в смеситель через крышку смесителя, так как жидкость

р Ч

•< А

I ■ 1:

\

распыляется через форсунку непосредственно в зону турбулентного движения смеси, между верхней и нижней лопастью смесителя в соответствии с рисунком 9. Задачей данного устройства является улучшение качества смешивания исходных компонентов напитка с жидкой составляющей. За основу конструкции центробежной форсунки взята модель ТФ06, изготовленная из Латуни ЛС59. Форсунка устанавливается в боковую стенку смесителя на равном расстоянии от верхней и нижней лопасти. Это расположение оптимальное для ввода жидкой составляющей, так как в этой зоне происходит турбулентное движение частиц смеси в соответствии с рисунком 10.

В пятой главе в результате поисковых экспериментов установлено, что в качестве структурообразователя в производстве быстрорастворимых гранулированных напитков можно использовать ячменную муку, которая имеет ряд отличительных полезных свойств для питания человека. Были проведены сравнительные анализы реологических кривых суспензий ячменного крахмала и ячменной муки. Было выявлено, что ячменная мука не ухудшает свойства структурообразователя в напитке по сравнению с ячменным крахмалом и содержит намного больше полезных веществ по сравнению с ячменным крахмалом. Также ячменную муку легче вырабатывать, чем ячменный крахмал.

В состав ячменной муки входит большое количество минералов и элементов, необходимых нашему организму, а именно фосфор, кальций, калий, цинк, марганец и железо. Также входят медь, кремний, никель, молибден, магний, йод, бром, кобальт, стронций и хром. Мука очень богата витаминами А, Б, Е, РР и практически всеми витаминами группы В. Среди лечебных свойств выделяется её способность очищать организм от токсинов и шлаков, содержится лизин (незаменимая аминокислота для образования белка), оказывающий противовирусное действие. Ячменная мука обладает диетическими свойствами, применяется для очистки организма при ожирении, проблемах с кишечником. Также был проведен поисковый эксперимент по экструзионной обработке ячменной муки с целью возможного улучшения реологических свойств. Обработка проводилась с различными начальными показателями влажности экструдированного материала - 18%, 24% и 30 %. При 18% и 30% влажности процесс шел нестабильно:

- в первом случае из-за недостаточной влажности;

- во втором случае из-за избытка влаги.

При влажности 24% процесс экструзионной обработки ячменной муки был стабилен, однако, полученная экструдированная мука после измельчения при получении 5,5% суспензии образовывала густой осадок, поэтому измерить вязкостные характеристики не представилось возможным. Изменение напряжения сдвига при набухании в течение 1500 с у 5,5% суспензии ячменной муки изменяется от 3,08 до 430,34 Па, у 5,5% суспензии экструдированного ячменного крахмала от 15,44 до 431,28 Па, у 5,5% суспензии ячменного крахмала от 26,64 до 449,86 Па.

Таким образом, установлено, что ячменная мука не ухудшает свойства структурообразователя в напитке по сравнению с ячменным крахмалом и вместе

с тем содержит намного больше полезных веществ по сравнению с ячменным крахмалом. Также ячменную муку легче вырабатывать, чем ячменный крахмал.

Поэтому было принято решение далее использовать неэкструдированную ячменную муку в виде структурообразователя и дополнительного источника витаминов и микроэлементов.

Рациональный размер дисперсных частиц муки и крахмала определялся экспериментально с оценкой по стабильности структурообразования и вязкости. Выявлена величина 180мкм дисперсности муки и крахмала, обеспечивающие необходимую скорость структурообразования готового продукта.

На рисунке 12 представлена операторная модель производства быстрорастворимого гранулированного напитка, адаптированная для нового сырья- ячменной муки. А- подсистема образования продукта с показателями качества, соответствующими техническому регламенту, содержащая операторы: I- упаковки гранулированного продукта; II- сушки гранул. В- подсистема образования гранул с заданными физико-механическими свойствам, содержащая операторы: I- гранулирования рецептурной смеси; II- образования рецептурной смеси. С/- подсистема образования промежуточного полуфабриката, содержащая операторы: I- хранения жмыха; II- помола жома; III- сушки жома. С2-подсистема образования промежуточного полуфабриката жидкого, содержащая операторы: I- смешивания жидких компонентов; II- хранения сока; III-упаривание сока. С3- подсистема образования смеси сухого премикса и сахарной пудры, содержащая операторы: I- просеивания смеси, II- смешивания, III-измельчения сахарного песка в пудру. СУ подсистема образования жома и сока из плодово- ягодного сырья, содержащая операторы: I- отжима; //- протирки; III- измельчения; IV- мойки исходного сырья.

С целью проверки полученных результатов и эффекта от адаптирования его к ячменной муке, было проведено системное исследование адаптированной машинной технологии быстрорастворимого гранулированного напитка.

После внедрения нового решения повторно проведена оценка уровня целостности технологической системы. Стабильность подсистем определялась экспериментально за одну смену. Уровень целостности (4) за смену:

вс[1с1сгСгС1ВА ~ 1 + °'63 + °'63 + 0,63 + 1 + 1 + 1- 6= -0,11; (4)

Проведенное повторное исследование показало, что стабильность подсистемы В образования гранул возросла с 0,53 до 0,63 за одну смену. Это привело к повышению уровня целостности технологической системы производства быстрорастворимого гранулированного напитка, благодаря чему произошло смещение уровня целостности технологической системы к области высокоорганизованных систем.

На рисунке 11 представленна диаграмма процесса развития технологической системы. В координатах >/, (средняя стабильность подсистем) и L (количество выходов подсистем) показаны эквидистантные кривые, которые представляют собой уровни целостности 0 той или иной технологической системы. На диаграмме: А — зона уровней целостности существующей

технологической системы; В - зона уровней целостности адаптированной технологической системы.

/

быстрорастворимого гранулированного напитка, (заштрихованная область - область высокоорганизованных (целостных) систем,

не заштрихованная - область плохо организованных (суммативных) систем) Таким образом, проведенное системное исследование адаптированной машинной технологии гранулированного напитка на основе ячменной муки показало, что уровень организации повысился по сравнению с известной технологией. Стабильность функционирования подсистемы В образования гранул возросла с 0,53 до 0,63 за одну смену. Уровень целостности технологической системы возрос с -0,40 до -0,11 за одну смену.

Рисунок 12 - Операторная модель технологической системы производства быстрорастворимых гранулированных напитков на основе ячменной муки

В шестой главе показано, что в целях расширения ассортимента быстрорастворимых напитков, внедрения безотходных технологий переработки плодово-ягодного и молочного сырья, улучшения пищевой ценности на предприятии ООО НПО «Здоровое питание» (г. Кемерово) были разработаны рецептура и технология производства быстрорастворимых напитков. Разработана технологическая инструкция и технические условия по производству быстрорастворимого гранулированного напитка на основе ячменной муки.

Быстрорастворимый гранулированный напиток разработан в следующем варианте: облепиховый напиток на основе молочной сыворотки, обогащенный витаминным премиксом.

Разработана базовая технология производства гранулированных напитков. При этом с учетом технологии были внесены корректировки в рецептуры напитков.

Высокие органолептические показатели напиток имеет в результате подбора ингредиентов по гармоничной сочетаемости и органолептическим показателям: вкусу, аромату, цвету и консистенции. Для выбора оптимальной дозировки компонентов рецептуры готовили модельные напитки с различным сочетанием этих компонентов.

Лучшие органолептические показатели проявляются в следующем количественном соотношении компонентов представленных в таблице 3.

Таблица 3 - Рецептура быстрорастворимого гранулированного напитка _на основе ячменной муки_

Наименование компонентов Состав, %

сахарная пудра 49,04

ячменная мука 35,0

концентрированный сок облепиховый 10,0

молочная сыворотка 5,0

кислота лимонная 0,5

премикс витаминный 0,46

Получено заключение от ГНУ «Научно-исследовательский институт пищеконцентратной промышленности и специальной пищевой технологии» Россельхозакадемии о том, что институт одобряет технологию и рецептуру быстрорастворимого гранулированного напитка на основе ячменной муки и считает целесообразным их реализацию при создании продукта для людей, находящихся в автономных условиях (экипажи космических станций).

Опытно-промышленные партии продукта вырабатывались на предприятии ООО НПО «Здоровое питание» (г. Кемерово). Подана заявка на способ получения быстрорастворимого пищевого напитка входящий № 065984, регистрационный № 2012140915. Разработан пример машинно-аппаратурной линии для малых предприятий по производству быстрорастворимых гранулированных напитков на основе ячменной муки, без блока приготовления концентрированного сока, линия представлена на рисунке 13.

нукп ячменная.

Рисунок 13 - Машинно-аппаратурная линия для малых предприятий по производству быстрорастворимых гранулированных напитков на основе ячменной муки (без блока приготовления концентрированного сока) 1 - силос для хранения сахара; 2 - силос для хранения ячменной муки; 3 - объемный дозатор; 4 - молотковая дробилка; 5 - шнек; 6 -центробежно-лопастной смеситель; 7 - ленточный конвейер; 8 - тарельчатый гранулятор; 9 - классификатор; 10 - промежуточный бункер; 11 - стол; 12 - лоток; 13 - вагонетки с лотками; 14 - сушильный шкаф; 15 - фасовочный агрегат

Основные выводы и результаты работы

1.Проведены исследования реологических свойств ячменного крахмала, проведена экструзионная обработка ячменного крахмала. Доказана возможность использования ячменного крахмала для производства быстрорастворимых гранулированных напитков;

2.Выполнена диагностика существующей технологической системы, которая позволила определить подсистему, вносящую наибольший вклад в нестабильность технологической системы: подсистему В образования гранул;

3.Установлено влияние на качество смешивания исходных компонентов напитка конструктивных факторов, которые позволили предопределить рациональную конструкцию смесителя;

4.Количественно оценены уровни организации известной и адаптированной технологии изготовления быстрорастворимого гранулированного напитка, на основе которых показано, что стабилизация процесса в технологической линии производства быстрорастворимого гранулированного напитка привели к увеличению уровня целостности технологической системы с -0,40 до -0,11 за одну смену;

5.Разработана рецептура быстрорастворимого гранулированного напитка на основе ячменной муки. Быстрорастворимый гранулированный напиток на основе ячменной муки был внедрен в производство на предприятии ООО НПО «Здоровое питание» (г. Кемерово). Разработан пример машинно-аппаратурного оформления линии для малых предприятий производства быстрорастворимых гранулированных напитков на основе ячменной муки. Подана заявка на способ получения быстрорастворимого пищевого напитка, входящий № 065984, регистрационный № 2012140915. Разработана технологическая инструкция и технические условия по производству быстрорастворимого гранулированного напитка на основе ячменной муки. Гранулированный напиток на основе ячменной муки может быть применен при создании продуктов для людей, находящихся в автономных условиях, в том числе для экипажей космических станций.

Результаты работы отражены в следующих публикациях: Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Ермолаев, Я.Ю. Линия производства киселей на основе гречневого и ячменного крахмалов / Я.Ю. Ермолаев, Л.И.Мачихина, А.М.Попов, А.А.Сарафанов // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2012. - №1. - С. 51-53.

2. Ермолаев, Я.Ю. Исследование растворов модифицированных гречневого и ячменного крахмалов / Я.Ю. Ермолаев, Н.В.Родичева, А.А.Сарафанов, А.М.Попов, И.С.Усачев // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2012. - №3. -С. 33-35.

3.Ермолаев, Я.Ю. О технологи производства быстрорастворимых гранулированных напитков на основе гречихи и ячменя / Я.Ю. Ермолаев, А.А.Сарафанов // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2012. - №12. - С. 3033.

4. Ермолаев, Я.Ю. Линия производства киселей на основе гречневого и ячменного крахмалов / Я.Ю. Ермолаев, А.А.Сарафанов // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. - 2012. - №1. - С. 39-43.

Тезисы докладов на конференциях

5. Ермолаев, Я.Ю. Инновационная технология киселей на основе гречишного и ячменного крахмала / Я.Ю. Ермолаев, А.А.Сарафанов // Москва. Сборник материалов 4-й конференции молодых ученых и специалистов институтов Россельхозакадемии «Научно-инновационные технологии как основа продовольственной безопасности РФ» -2010. - С. 94-97.

6. Ермолаев, Я.Ю. Исследование реологических и органолептических показателей модифицированных гречневого и ячменного крахмалов / Я.Ю. Ермолаев, Н.В.Родичева, А.А.Сарафанов, И.С.Усачев // Москва. Сборник материалов 5-й конференции молодых ученых и специалистов институтов «Современные методы направленного изменения физико-химических и технологических свойств сельскохозяйственного сырья для производства продуктов здорового питания» -2011.-С. 110-115.

7. Ермолаев, Я.Ю. Изучение свойств модифицированных гречневого и ячменного крахмалов / Я.Ю. Ермолаев, А.А.Сарафанов // Углич. Сборник материалов ежегодной Всероссийской научно-практической конференции Россельхозакадемии «Научно-инновационные аспекты при создании продуктов здорового питания» -2012. - С. 91-92.

Подписано в печать:

20.03.2013

Заказ № 8272 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЗЕРНА И ПРОДУКТОВ ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ» РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ «КЕМЕРОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ» МИНИСТЕРСТВА ОБРАЗОВАНИЯ И

НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА БЫСТРОРАСТВОРИМОГО ГРАНУЛИРОВАННОГО НАПИТКА НА

04201355425

ЕРМОЛАЕВ ЯРОСЛАВ ЮРЬЕВИЧ

ОСНОВЕ ЯЧМЕННОЙ МУКИ

05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Попов Анатолий Михайлович

Москва 2013

Оглавление

Введение....................................................................................................................................................................4

Глава 1. Обзор научно-технической литературы..................................................................8

1.1 Технологический поток как система процессов..........................................................8

1.2 Промышленное производство напитка на основе модифицированного картофельного крахмала..............................................................................................................................16

1.3 Характеристика используемого сырья для напитка..................................................22

1.4 Теоретические основы процесса смешивания сыпучих сред............................26

1.5 Задачи исследования..............................................................................................................................35

Глава 2. Исследование технологических свойств ячменного крахмала............37

2.1 Методическое обеспечение исследования........................................................................37

2.2 Микроисследование строения зерен ячменного крахмала................................40

2.3 Исследование реологических свойств суспензий ячменного крахмала. 43

2.4 Экструзионная обработка ячменного крахмала............................................................47

2.5 Краткие выводы..........................................................................................................................................50

Глава 3. Диагностика существующей технологической системы

производства............................................................................................................................................................52

3.1 Методическое обеспечение............................................................................................................52

3.2 Построение операторной модели..............................................................................................56

3.3 Экспериментальные исследования и результаты диагностики........................58

3.4 Краткие выводы........................................................................................................................................65

Глава 4. Исследование и оптимизация ведущего процесса технологии:

смешивания исходных компонентов................................................................................................67

4.1 Теоретические основы процесса центробежно-лопастного смешивания исходных компонентов напитка..........................................................................67

4.2 Методы оценки качества процесса смешивания исходных компонентов............................................................................................................................................................73

4.3 Методика исследования и оптимизации процесса центробежно-лопастного смешивания исходных компонентов..................................................................75

4.4 Краткие выводы..........................................................................................................................................85

Глава 5. Технология напитка на основе ячменной муки как система

процессов....................................................................................................................................................................87

5.1 Обоснование выбора использования ячменной муки............................................87

5.2 Операторная модель производства напитка на основе ячменной муки. 90

5.3 Оценки уровня организации технологического потока..........................................92

5.4 Краткие выводы............................ ................................................................................94

Глава 6. Практические результаты исследования..............................................................95

6.1 Рецептуры быстрорастворимых напитков........................................................................95

6.2 Машинно-аппаратурное оформление технологического потока для малых предприятий.................................................................... 97

6.3 Краткие выводы..................................................................... 101

Общие выводы и предложения....................................................... 102

Список использованной литературы................................................ 103

Приложение А Реологические исследования суспензий, кривые течения.. 109 Приложение Б Диагностика известной технологической системы за

смену....................................................................................... 110

Приложение В Опытный образец промышленной установки

для смешивания исходных компонентов.......................................... 112

Приложение Г Лабораторная установка для смешивания исходных

компонентов.............................................................................. 113

Приложение Д Диагностика адаптированной технологической системы 114

Приложение Е Акт внедрения...................................................... 116

Приложение Ж Технологическая инструкция по производству напитка

сухого ячменного........................................................................ 117

Приложение И Технические условия по производства напитка сухого

ячменного................................................................................ 118

Приложение К Заключение от ГНУ «Научно-исследовательский институт пищеконцентратной промышленности и специальной пищевой

технологии» Россельхозакадемии................................................... 119

Приложение JI Заявка на способ получения быстрорастворимого

пищевого напитка....................................................................... 120

Приложение М Расчетное значение содержания витаминов................... 121

Приложение Н Использование результатов диссертационной работы в учебном процессе........................................................................ 122

Введение

В соответствии с государственной политикой РФ в области здорового питания разработаны «Основы государственной политики РФ в области здорового питания населения на период до 2020 г.» (распоряжение Правительства РФ № 1873-р от 25.10.10 г.). Они планируют наращивание производства пищевых продуктов, в том числе функционального питания. В связи с этим большое внимание уделяется разработке новых видов продуктов питания с использованием растительного сырья, богатого витаминами и микроэлементами. При употреблении напитков из сырья растительного происхождения не замечено отрицательных последствий не вызывает привыкания при длительном применении, они обладают тонизирующими и стимулирующими свойствами.

Производство полноценной и здоровой пищи во все времена являлось одной из самых важнейших задач, стоящих перед человечеством. Сырье растительного происхождения является источником практически всех необходимых организму макро- и микронутриентов. Неотъемлемую часть рациона питания человека составляют продукты переработки зерна ячменя. В значительной мере удовлетворяют потребности организма в питательных веществах. Ячмень имеет достаточно сбалансированный химический состав, отличается высоким содержанием белка, витаминов группы В, растительного крахмала, благоприятным минеральным составом (по содержанию калия, кальция, кобальта, кремния превышает пшеницу). Также достаточно высоким содержанием пищевых волокон и водорастворимых веществ улучшающих пищеварение.

Основные тенденции развития современного уровня технологии изготовления сухих продуктов показывают, что в других странах разрабатывают способы получения продуктов в гранулах, вместо изготовления сухих продуктов в виде порошков. Рост потребления безалкогольных напитков

благоприятно влияет на оздоровление общества, они увеличивают ассортимент напитков и могут снизить употребление человеком алкоголя.

За последние пять лет в экономически развитых странах увеличивается производство концентратов напитков в виде растворимых гранул.

Быстрорастворимые гранулированные напитки широко распространены в Японии, странах Европейского союза, США, доля производства быстрорастворимых гранулированных напитков составляет 17%. Это связано с такими достоинствами, как: длительный срок хранения, удобство в употреблении и не требуется большая тара при перевозке и др.

Дефицит так называемых макро- и микронутриентов оказывает наиболее негативное влияние на здоровье населения страны, особенно школьников и студентов.

Актуальность проведения данной работы заключается в необходимости разработки нового вида напитка на основе ячменного крахмала.

Анализ современного уровня технологии изготовления сухих продуктов и основных тенденций ее развития показывает, что вместо изготовления сухих продуктов в виде порошков во многих странах разрабатывают и внедряют способы получения продуктов в гранулах.

Производство сухих гранулированных напитков на основе растительного сырья дает возможность получать новые виды пищевых продуктов, которые обладают повышенной питательной ценностью.

Целью настоящей работы является научное обоснование и создание системы процессов технологии гранулированного напитка на основе ячменной муки, оптимизация процесса смешивания компонентов быстрорастворимого гранулированного напитка, как определяющего целостность технологического потока.

Научную концепцию работы составляет системный подход к техническому решению технологической задачи получения быстрорастворимого напитка на основе ячменной муки.

Научные положения, выносимые на защиту:

-диагностика и оценка качества системы процессов для производства быстрорастворимых гранулированных напитков;

-анализ технологии производства быстрорастворимых гранулированных напитков как системы процессов;

-технологические свойства ячменного крахмала, обеспечивающие эффективность ведущих процессов;

-система процессов и система машин для получения быстрорастворимых гранулированных напитков.

Научная новизна работы состоит в следующем:

-установлены закономерности строения технологии производства быстрорастворимого гранулированного напитка как системы процессов;

-выявлены основные закономерности процесса смешивания компонентов готового продукта;

-изучено строение зерен картофельного и ячменного крахмал; -установлены реологические свойства ячменного крахмала и муки для производства быстрорастворимых гранулированных напитков;

-установлена закономерность развития технологии производства быстрорастворимого гранулированного напитка как системы процессов. Практическая значимость работы:

-разработана система процессов производства быстрорастворимого гранулированного напитка на основе ячменной муке;

-предложена усовершенствованная конструкция центробежно-лопастного смесителя;

-составлена рецептура быстрорастворимого гранулированного напитка на основе ячменной муки;

-скомпонована поточная линия производства быстрорастворимого гранулированного напитка на основе ячменной муки;

-подана заявка на способ получения быстрорастворимого пищевого напитка, входящий № 065984, регистрационный № 2012140915;

-разработана технологическая инструкция и технические условия по производству быстрорастворимого гранулированного напитка на основе ячменной муки.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлены, обсуждены и доложены на IV конференции молодых ученых и специалистов институтов Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции Россельхозакадемии «Научно-инновационные технологии как основа продовольственной безопасности РФ» (Москва, 2010); на V конференции молодых ученых и специалистов институтов Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции Россельхозакадемии «Современные методы направленного изменения физико-химических и технологических свойств сельскохозяйственного сырья для производства продуктов здорового питания» (Москва, 2011); на Ежегодной Всероссийской научно-практической конференции Россельхозакадемии «Научно-инновационные аспекты при создании продуктов здорового питания» (Углич, 2012); работа заслушана на Ученом Совете Государственного научного учреждения Всероссийского научно-исследовательского института зерна и продуктов его переработки, (Москва, 2013).

Глава 1. Обзор научно-технической литературы

Современные машинные технологии представляют собой сложные машинно-аппаратурные системы связанные с комплексом разнообразных технологических процессов и операций. Исследование технологического процесса в поточной линии с целью совершенствования основаны на системном анализе технологической системы. Этот подход позволяет оценить всю систему в целом и выявить влияние каждой отдельной конструкции на работу других машин и аппаратов, он сопровождается применением физико-механических методов оценки качества промежуточных полуфабрикатов и конечной продукции. Задачи исследований сформулированы на основании материалов изложенных в главе.

1.1 Технологический поток как система процессов

Процессы в машинах и аппаратах технологических линий - это один большой процесс (поток). Несмотря на разнообразие технологий, машинно-аппаратурного оформления, общим для различных линий является то, что в них организован и функционирует непрерывный технологический поток преобразования исходного сырья в продукт. Такой поток имеет свои закономерности, которые необходимо знать, чтобы создавать высокоэффективные технологические линии. Конструкторское решение линии в целом должно определять конструкции отдельных машин и аппаратов.

Организация технологической системы. Пищевые технологии представляют собой системы знаний о способах воздействия различными орудиями труда на сырье, материалы и полуфабрикаты при переработке сельскохозяйственной продукции. Для каждой отрасли пищевой промышленности, для каждого вида пищевой продукции применяют свою

совокупность методов обработки сырья, материалов или полуфабрикатов, которые выполняют именно при производстве этой продукции [41, 46, 48].

Рассматривая современное пищевое предприятие как систему большого масштаба можно представить его как совокупность нескольких подсистем. Между которыми существуют определенные отношения соподчиненности с тремя основными ступенями качества систем: высшую, среднюю и низшую. Высшая ступень иерархической структуры - это система оперативного управления работой цехов всех уровней, планирования запасов сырья и реализация готовой продукции. Средней ступенью являются технологические системы в поточных линиях как совокупность технологических операций. Низшая ступень образуют физико-химические системы отдельных процессов технологии в определенном машинно-аппаратурном оформлении.

Технологию производства нельзя рассматривать как сумму процессов в отдельных машинах и аппаратах. Каждая отдельная конструкция, работающая в составе технологической линии косвенно и непосредственно влияет на работу других аппаратов и машин.

Процессы в аппаратах и машинах поточных линий объединены в один непрерывный технологический поток преобразования исходного сырья в продукцию.

Несмотря на разнообразие технологий, машинно-аппаратурных схем, общим для различных линий является то, что в них организован и функционирует комплекс технологических процессов как система. Закономерности строения, функционирования и развития любой технологии в целой поточной линии исследуются на основе методов системного анализа и системного синтеза общей теории систем [41, 46].

Функционально-структурным подходом характеризуется системный анализ технологической системы, при котором рассматриваются функциональная и структурная организации системы.

Строение технологического потока. Большой процесс в поточной линии рассматривается как система технологическая и характеризуется всеми

атрибутами сложной системы: элементами, связями, структурой и целостностью [46, 48, 49].

Технологический поток как система состоит из автономных образований -подсистем, в которых операции являются элементами. Нельзя раскрыть закономерности строения технологического потока, ограничившись познанием операций в отдельных машинах и аппаратах линии.

Технологический поток представляет собой совокупность технологических операций. Он обладает новым, системным качеством, которым не располагает ни один из образующих его элементов. Системное качество заключается в гораздо более эффективном функционировании комплекса машин и аппаратов, нежели работа не объединенных в линию орудии труда. В линии эффективность технологии достигается в результате исполнения в высокой степени совершенства отдельных операций, что ведет к неизвестной до этого стабильности производства.

Рассматривая технологическую систему как подсистему большей системы, можно выделить в ней внутренние связи между ее подсистемами и внешние связи, устанавливаемые ею с другими системами той большой системы, в которую она входит. Если при этом внутренние связи в каком-то смысл